最新综述：合成生物学与生物电子学的融合

原创 sll1352 ToloBio

摘要：专注于基因和细胞基质的合成生物学领域以及专注于将电子学与生物学接口的生物电子学领域似乎在表面上几乎没有共同之处。但是，基于每个领域的共享和补充设计原则，这两个领域之间存在融合的可能性。这里提供了这样的例子，其中这种融合开始在细胞群、个体细胞和膜转运的工程感测和控制中发生。我们提出，生物电子学将通过与传统电子器件的集成实现对合成生物过程的实时监测和控制。这种融合所带来的能力增强可能会扩大范围并加深合成生物学和生物电子学的影响。

原文：Selberg J, Gomez M, Rolandi M. The Potential for Convergence between Synthetic Biology and Bioelectronics[J]. Cell systems, 2018.

介绍

合成生物学和生物电子学是作为独立领域发展起来的。合成生物学旨在设计细胞系统以执行特定功能；生物电子学是电子器件和材料与生物系统的整合。尽管如此，这两个领域都有相互的味道。生物电子学通常涉及细胞功能的感测和控制，包括将合成材料直接整合到细胞膜中以调节膜转运。合成生物学的结构与电子学的层次结构相似，合成生物学领域涉及信息处理，如Gardner拨动开关和逻辑门。两个领域合成生物学方法可能会产生下一代电子元件和系统，包括最近开发的NSF-SRC-IARPA信息处理和存储技术半导体合成生物学（SemiSynBio）计划的一部分。用于控制细胞行为的生物电子学方法通常集中在诸如起搏器、神经植入物和电子医疗的医疗保健应用上。这篇文章的目的是强调生物电子学与合成生物学之间融合的潜力。这种融合涉及将生物电子器件与合成生物电路集成，以精确控制细胞功能，例如代谢反应、信号传导和基因表达。

这两个领域都取得了重大进展，现在可以实现融合发展。合成生物学的研究主要集中在工程单细胞反应上。从单细胞动力学到新兴种群动态的映射不太了解，特别是在微生物群落等多菌种系统中，目前这是一个热门话题。在过去的十年中，研究人员已经提高了我们利用群体感应分子从头设计复杂细胞网络的能力，从而提供了更好地了解种群动态中紧急行为的必要工具。另一方面，生物电子学已经开始通过将微型电子设备与细胞和组织组连接起来。微细加工和新材料的进步减小了该界面的尺寸，现在可以与单个细胞和膜蛋白交流。作为这种趋同潜力的一部分，我们将在各个领域提供补充工作，作为长度范围的函数，从细胞群和细胞外环境，单细胞和细胞内环境，到跨细胞膜和膜蛋白的转运，以及最近的工作涉及细胞功能的生物电子控制（图1）。

图1：合成生物学和生物电子学的细胞监测和控制的层次级别：多细胞，单细胞和膜运输

合成生物学。在20世纪下半叶完善的分子生物学技术使得研究人员使用自上而下的逆向工程基因调控和代谢过程。千禧年的开始标志着向自下而上的合成生物学方法的转变，研究人员开始从生物组分中修改和组装系统，以改变细胞和组织的行为，表现出响应外部刺激和遗传逻辑门的表达转录控制的遗传回路是最早的研究产品。合成生物学领域现在包括许多与生物系统正向工程有关的研究领域。我们仅突出显示一部分示例。一个主要活跃的研究领域涉及利用基于蛋白质，基因组和RNA的方法利用各种机制展示对细胞表达的控制。利用这些工具，研究人员可以设计新的电路来确定细胞命运和细胞对环境的反应。此外，这些工具允许利用群体感应设计细胞间信号传导途径，并且已经用于调节表达，诱导模式形成和改变生物膜生长。蛋白质工程的进步产生了用于生物标记和膜电位的敏感荧光探针，具有修饰的结合亲和力的酶，靶底物和随后的化学反应，以及用于不同离子的跨膜协同转运蛋白和孔。此外，与用于追踪RNA、DNA和染色质或目的蛋白质的适体偶联的荧光蛋白质目前用于单细胞分析以及非光学技术，例如单细胞RNA测序。其他领域，如工程合成的最小细胞和合成囊泡的微区室化，使我们更接近模块化系统，提供生化反应和合成生命的空间和时间控制。

生物电子学。从Galvani的动物电学研究开始，生物电子学将电子设备与生物学相结合。生物电子学的一个主题是使用电子设备来感知和分析通常与医疗相关的特定生物过程。另一个主题是使用电子信号治疗和治疗疾病。实例包括起搏器、神经元植入物，以及最近用于治疗炎症和器官功能障碍的迷走神经刺激。对于这些应用，通常电子设备适于通过添加探头和传感器元件与生命系统连接。最近，新的材料和策略已进入生物电子领域，以根据生物环境的长度尺度和特征定制器件特性。生物环境的一个重要方面是水和离子传导的普遍存在，这两种元素通常不能与半导体装置很好地融合。新材料包括用于纳米生物电子学的碳纳米管和硅纳米线，用于有机生物电子学和离子电子学的具有混合离子 - 电子传导性的有机聚合物，用于生物声学的质子传导生物材料和装置，以及用于瞬态电子器件的柔性塑料和可溶解基板中的超薄半导体。生物电子学的另一个方面是开发生物材料作为电子元件。这些生物材料的优点包括增加的功能和纳米级的精确组装，这减少了对复杂制造策略的需求。为此，第一个例子之一是使用生物聚合物黑色素展示双端存储器，现在已经看到了复兴的兴趣。存在几种通过蛋白质传递电子的研究。最近的努力包括DNA的图案化和自组装以及作为导体的细菌膜的探索。

处理和控制多细胞

图2. RGB感应TCS和遗传逻辑回路

（A）由三个对红色，绿色或蓝色光敏感的TCS与遗传逻辑回路耦合的系统和负责激活或去激活用于RGB色素沉着的酶表达的资源分配器。遗传逻辑回路基于转录抑制蛋白的表达实现NOT门。这些阻遏物阻断了抑制酶表达以形成色素的募集因子（σ片段）的表达。（B）用图案化的RGB光照射后，由琼脂糖在大肠杆菌上形成的着色图像。