4月28日，上海科技大学物质科学与技术学院李健课题组基于“设计-构建-测试”等合成生物学理念，利用整合酶（integrase）和细菌接合转移（bacterial conjugation）等技术，通过对基因线路的精准调控，在不同大肠杆菌细胞之间实现了胞间信息通讯和逻辑调控，相关成果以“Integrase enables synthetic intercellular logic via bacterial conjugation”为题在线发表于国际学术期刊《细胞系统》（Cell Systems）。
基因线路的设计与调控是合成生物学的核心内容之一，其功能决定了宿主细胞的基因网络调控及外在表型。通过调控基因线路，生物体能够动态响应外部环境的变化。通常，携带基因线路的DNA载体（如质粒）通过细胞分裂等垂直基因转移（vertical gene transfer）方式在母细胞和子细胞间传播，以维持其基因线路的稳定遗传。而水平基因转移（horizontal gene transfer），包括转化（transformation）、转导（transduction）、胞外囊泡（outer membrane vesicle）和接合（conjugation）等方式，可实现不同种类细胞间的遗传信息传递和交换，从而赋予不同细胞以多样的基因型和表型。自然界中，细菌群落之间普遍存在水平基因转移现象，对生态系统具有重要影响。然而在基于水平基因转移的胞间信息交流、DNA转移及基因线路的人工调控系统等方面，尚缺乏相关研究。
图1 利用整合酶和细菌接合转移设计细胞间的逻辑调控模式。
李健课题组以整合酶作为基因线路的调控工具，选用大肠杆菌作为研究对象，通过细菌间的接合作用，实现水平基因转移，探索了不同菌株间的DNA信息传递及其调控模式。研究团队利用整合酶介导的三种基因重组方式（即删除、翻转、整合），结合课题组前期已开发的体内质粒组装技术和多种色素蛋白的使用，构建了多种大肠杆菌菌株之间的逻辑调控模式，包括布尔逻辑门、拨动开关、级联调控、信号放大/衰减、信号积累/消除、标准化、分化以及正交分配等（图1）。这些合成的胞间信息加工模型进一步拓展了水平基因转移层面的基因线路调控方式。
本研究在大肠杆菌中建立了分层、分类、可控、可扩展的信号处理系统，凸显了细胞间通讯在合成生物学研究中的重要性和可拓展性，同时也为基因线路设计与调控在系统生物学及其延伸应用中的进一步发展提供了新思路。
上海科技大学物质科学与技术学院李健课题组2024届博士毕业生巴方、2023级博士研究生张雨菲和2022级硕士研究生王璐瑶为论文共同第一作者，李健教授为通讯作者，上海科技大学为第一完成单位，先进医用材料与医疗器械全国重点实验室和上海临床研究中心为论文共同完成单位。
论文标题：Integrase enables synthetic intercellular logic via bacterial conjugation
沪公网安备 31011502006855号