导语

作为一种经典的合成基因回路，合成振荡基因回路周期和振幅的调节一直以来都是合成生物学家致力于解决的问题之一。近日北京大学定量生物学中心/生命科学学院/物理学院罗春雄课题组发表论文，通过对合成互抑制振荡回路进行改造，实现了合成系统中振荡周期和振幅的正交调节，并构建出了相应的数学模型，实现了对周期和振幅的定量预测。

研究领域：合成生物学，合成振荡系统，互抑制振荡基因回路

论文题目：Independent control of amplitude and period in a synthetic oscillator circuit with modified repressilator

论文地址：https://www.nature.com/articles/s42003-021-02987-1

通过合成生物学理性设计来实现稳定的、可调节的合成振荡基因回路一直以来都是合成生物学家所致力于解决的问题之一。如果能够控制振荡的特征，就可以将其应用于更为复杂的合成基因回路的设计和构建中，实现定时、定量的振荡表达或振荡调节，合成基因回路的设计和构建空间将得到很大的扩展。2022年1月11日，北京大学定量生物学中心/生命科学学院/物理学院罗春雄课题组在《Communications Biology》期刊发表题为Independent control of amplitude and period in a synthetic oscillator circuit with modified repressilator的文章。该文章设计实现了可以在实验水平上完成周期和振幅正交调节的合成互抑制振荡基因回路，并结合微流控芯片技术和荧光显微镜时序拍摄获取了不同控制条件下的振荡特征，进一步提出了可以用于定量预测该合成互抑制振荡基因回路周期和振幅的数学模型（图1）。

图1 定量模型预测与实验结果对比情况。左. 定量模型预测图，其中圆点为实验结果数据点。右. 实验结果与模型预测结果对比。

互抑制振荡回路作为一种经典的振荡基因回路已有二十余年的研究历史。合成生物学家们在元件选择、培养条件等各个方面进行了筛选和调节，以期望得到可以实现稳定振荡的合成互抑制振荡基因回路。近年来，借由设计思路和观测手段的进步，能够实现稳定振荡的互抑制振荡回路已经被设计完成。而另一方面，对于合成互抑制振荡回路的调节，合成生物学家也进行了更多的探索，关于振荡回路进一步设计的相关模型也有了很大进展。而在这些理论水平的成果中，对于合成互抑制振荡回路周期和振幅正交调节的可能性具有十分重大的意义。

研究团队在以上工作的基础上，通过对可以实现稳定振荡的合成互抑制振荡回路进行设计和改造，通过引入双输入启动子和额外的调幅模块，实现了振荡周期和振幅的正交调节。通过外加诱导物水杨酸和IPTG可以分别对振荡的振幅和周期进行调节，且二者之间互不影响。此外，研究团队还在以前人的纯理论模型为基础，根据实际的基因回路设计构建了可以实现定量预测的新的数学模型，可以对处于不同诱导物浓度组合条件下的振荡周期与振幅进行预测。

图2 振荡周期与振幅调节结果图，左侧为基因回路示意，右侧为正交调节结果。

结合实验结果与理论成果，本工作实现了合成互抑制振荡基因回路的模块化，使得其作为独立的调节节点参与到更为复杂的合成基因回路设计中成为可能。这种模块化的合成互抑制振荡基因回路在频率分析、频率编码和信号处理等方面都具有一定的应用前景，更可以应用于周期性药物输送系统等具体应用场景之中。

北京大学定量生物学中心/物理学院罗春雄教授为文章的通讯作者；北京大学生命科学学院博士生张凤宇为文章的第一作者；北京大学定量生物学中心/物理学院欧阳颀教授、孙燕红博士、张益豪博士和王淑静工程师提供了实验支持。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部重点研发专项的资助。研究团队正致力于利用该模块化的合成互抑制振荡基因回路探索震荡回路耗能的理论问题，也将构建更为复杂的合成基因回路，探索其更多的应用场景。