Michael Elowitz在2000年发表的一项研究，成为合成生物学领域的开端工作之一。他现在是
加州理工学院生物系、生物工程系及应用物理系教授。
图片来源：Yitong Ma/David Jacobson。
导读：
2000年1月，刚刚从普林斯顿大学博士毕业的Michael B. Elowitz和导师Stanislas Leibler在《自然》杂志报告，他们设计出首个基因表达振荡器，利用3个基因模块彼此间的抑制作用，实现下游基因表达信号的规律振荡，就像振荡电路输出的规则波形。这一工作成为合成生物学这一新领域的关键成果之一。
Elowitz本科毕业于加州大学伯克利分校物理系，博士训练在普林斯顿大学物理系完成，博士导师Leibler为生物学家和物理学家。
回顾这一开创性工作的缘起，Elowitz说：“当你利用自上而下的策略来研究一个线路时，你无法确定自己是否遗漏了某些组件。但如果从零开始，利用定义明确的组件和相互作用来构建线路的话，那么就可以弄清楚这个线路是否真的足以控制某种细胞行为。”
本文原标题为“Synthetic Origins”，2024年4月2日首发于Asimov Press，《赛先生》获授权翻译并发布中文译文。
原文链接：
https://press.asimov.com/articles/synthetic-origins
1997年，Michael Elowitz在普林斯顿大学攻读物理学博士学位时，突然萌生了一个绝妙的想法：如果我们能用 DNA 而不是电子设备构建一个电路，并用它来“编程”活细胞，那会怎样？
在接下来的三年里，Elowitz和导师Stanislas Leibler一起努力，研究了这种合成基因线路，并取得了成功。他的最终设计，现在被称为抑制振荡器
(Repressilator)
，仅由三个基因组成，每个基因编码一个抑制子蛋白，抑制环路中下一个基因的转录。
具体而言，LacI蛋白特异性地结合并抑制用于控制TetR蛋白表达的启动子，TetR蛋白特异性地结合并抑制用于控制cI蛋白表达的启动子，最后cI蛋白特异性地结合并抑制用于控制LacI蛋白表达的启动子，首尾相连，形成了一个闭合的遗传线路。将编码绿色荧光蛋白的基因置于上述3个启动子当中一个的下游，当工程化的细胞从一个抑制子蛋白的表达循环到下一个蛋白表达时，它们就会开始在绿色和黑暗之间交替闪烁。至此，Elowitz创造出了基于细胞的活体振荡器。
上述材料来源于1998年在德国海德堡的一次报告。Credit: Michael Elowitz
（译者注：在右图所示的数学公式中，mRNA的浓度取决于自身降解、受抑制子蛋白控制的转录合成、以及本底的转录水平。抑制子蛋白的浓度取决于自身降解，以及来自mRNA的翻译合成。这两个看似简单的式子组成了振荡器的数学基础。）
2000年1月，这篇关于抑制振荡器的文章发表在《自然》杂志上。同期背靠背发表还有另外一篇文章，报道了被称为拨动开关(Toggle switch)的合成基因线路。这两篇文章成为了一个新兴学科领域——合成生物学——的旗帜性文章。
总之，这些早期的合成基因线路证明，工程师们的确可以在活体细胞里重新创造一些复杂的基因网络，并且操控它们执行全新的功能。换句话说，他们可以“编程生物”。
Elowitz现在是加州理工学院生物系、生物工程系及应用物理系教授。他最近接受了Asimov Press的专访。他回顾了自己在研究抑制振荡器时的早期疑虑，思考了物理学家为生物学带来的独特哲学理念，并重点介绍了团队最近在开发解码活细胞机制的技术方面已发表和未发表的项目。
Asimov Press：
一开始就问你关于抑制振荡器的问题，我有点不好意思。每个人肯定都会问你这个问题。但是当我把你的论文和拨动开关基因线路的论文放在一起阅读时，我注意到了一点，在论文的讨论部分你重点关注合成基因线路对探究自然生物系统的重要性，而另一篇论文更关注合成基因线路的商业潜力。你可以就此展开谈谈吗？
Michael Elowitz:
嗯，我从事合成生物学的动力往往更多是来自于基础研究的角度，希望以此来探索细胞的工作原理。不过我也一直想探究这个问题：我们是否真的可以像计算机编程一样对细胞进行编程。这真是一个非常吸引人的想法。
但早年间，实验室里的一切进展都非常慢且困难。甚至像构建只有3个基因，以今天的标准看起来很简单的基因线路，也花了我好几年的时间。我不得不去表征每一个转录单元，并尝试搭建一种方法，使我能够独立测量每个抑制子蛋白到下一个蛋白的传递函数，然后尝试将它们串联成双基因线路，以此类推。
Asimov Press：
2000年那一期《自然》杂志出版后不久，合成生物学领域就开始腾飞。你如何看待它的快速发展？
Michael Elowitz:
最初的一段时间，这个领域由少数实验室主导，但这些实验室的数量不断增加，他们小步推进，逐一实现了新的生物学功能：数字逻辑、计算和群体感应。这些尝试为后来更加复杂的功能奠定了基础。
不过，我始终坚信编程细胞的愿景，并且觉得要实现这一愿景，我们必须了解一些更基本的东西。为了让我们的遗传线路发挥作用，并能够利用核心的细胞功能，我们需要了解各种细胞系统的“应用程序接口
（API: Application Programming Interface）
”，比如转录、信号传递和细胞周期等。我们还需要弄清楚一些尚未被定量研究或在单细胞水平上进行测量的系统行为的基本问题。
例如，在发表那篇抑制振荡器的文章后不久，我又开展了另一项研究，测量一种简单的响应函数——即抑制子蛋白对其目标基因的定量影响。这是一个基础的传递函数，其形状和波动对于预测更大规模的遗传转录线路的行为至关重要。那是与 Nitzan Rosenfeld、Jon Young、Uri Alon 和 Peter Swain 合作完成的。
与此同时，虽然这些真实的
（对我来说非常令人兴奋的）
实验正在进行，而且一些实验室发表了一些有趣的论文，数量也在不断增加，但合成生物学却被炒作得沸沸扬扬。这种炒作似乎超出了该领域的实际发展水平。由于我本身比较焦虑的性格，当时我担心，如果整个领域做出的承诺根本无法在合理时间内实现，这种过度的炒作会反噬我们所有人。现在回过头来看，这种担忧其实是多余的。
Asimov Press：
你能详细解释一下细胞应用程序接口是什么意思吗？
Michael Elowitz:
我的意思是，这些具有生化性质的接口，通过它们，天然的细胞功能能够被合成线路所控制。转录和翻译是最明显不过的例子，因为它们可以用来表达任何你感兴趣的基因。但是合成线路的性能取决于它们控制尽可能多的内源性功能的能力：细胞周期、生长、形态状态、与其他细胞的通信、细胞的死亡程序、细胞成分的输出等等。然而，我们并不清楚这些细胞系统实际上如何能够被合成线路以一种特定的方式所控制，同时又不会干扰其他过程。因此，发现这些控制节点——定义细胞的天然应用程序接口——是合成生物学中非常重要的方面。
Asimov Press：
抑制振荡器的想法最初是怎么来的？
Michael Elowitz:
那应该是在1996或者1997年的某个时候。我还是普林斯顿Stanislas Leibler实验室的研究生。非常多的人当时在尝试给不同的生物线路建模，比如趋化性。我当时阅读了大量关于不同生物系统的分子生物学论文，特别是关于生物钟的研究，还有一本由Thomas和D’Ari撰写的书《Biological Feedback》，书中概述了各种反馈线路的简单模型。
当我阅读所有这些论文时，我注意到很多都会总结一个模型，用来描述从论文的遗传或者生化测定中推导出的生物线路。我最深的感受是，这些线路模型真的足够用来解释生物行为吗？还是它们仅仅是对观察到的相互作用的总结，而可能忽略了很多其他的关键组件？这让我抓狂。
我一直在想，人们怎么才能够知道什么相互作用和组件是足以用来解释某种细胞行为的？当你利用自上而下的策略来研究一个线路时，你无法确定自己是否遗漏了某些组件。但如果你从零开始，利用定义明确的组件和相互作用来构建线路的话，那么就可以弄清楚这个线路是否真的足以控制某种细胞行为。
这就是我当时的想法。我只想要构建一个基因线路，看看能否让它执行某种特定的细胞行为。抑制振荡器就是源于这一高层次的目标。但我选择专注于振荡器而非其他线路，与我在物理学中研究各种振荡器、阅读过关于生物钟的内容密切相关。最重要的是，我想制作出一些会发光闪烁的细菌的酷炫视频。我觉得构建出一个可以“闪烁”的基因线路简直太酷了。
Asimov Press：
抑制振荡器？一直是这个名字么？
Michael Elowitz:
至少在1999年之前，我一直把它称为“oscillon”，这个名字是“oscillator”（振荡器）和“operon”（操纵子）的混合。但有一天，我看到了一期《自然》杂志的封面上印着“oscillon”这个单词。我记得上面写着“发现oscillon！”或者类似的话。在那种情况下，“oscillon”指的是颗粒介质中的一种相干振荡模式。当时我心想，“糟了，这个名字被用了。”不过后来我很庆幸，因为“repressilator” 这个名字其实更好。除了念起来很有趣之外，它还与一个传统相连：以发现地命名化学振荡器非线性动态模型，比如“布鲁塞尔振荡器”
（Brusselator）
和“帕洛阿尔托振荡器”
（Palo Altonator）
等。
Asimov Press：
回到你当时正尝试搭建抑制振荡器的那个时候，你对这个项目有什么想法？周围的人又是怎么评价的？
Michael Elowitz:
嗯，我那个时候的确不知道它会不会成功。我不停地询问其他人对这个项目的看法，得到了非常不同的回答。一些知名生物学家会说,“不，这个绝对行不通。这玩意儿就不会成功。”
然后我会追问他们，“那为啥行不通啊？”他们就会说：“生物学就不是那样搞的。你无法预测将要发生什么。”而另有一些人觉得这个项目听上去很有趣。所以正面和负面反馈都有。现在回过头来看还挺有趣的。我那个时候真的对这个项目感到很兴奋。我向非常多的人谈起过它，但随后又要求他们发誓保密。这真的有点幼稚。
与此同时，我的导师Stanislas Leibler，一位真正具有远见卓识的科学家，也是我个人灵感的来源， 他从始至终都支持这个项目，我一直对此心存感激。
实际上， 1998年我的导师在德国海德堡欧洲分子生物学实验室EMBL学术休假期间，我开始动手构建这个抑制振荡器。那一年， 我一直都在寻找能找到的最合适的基因调控元件。Hermann Bujard曾对细菌启动子的特性进行了非常细致的研究。这些特性可以让启动子既有强大的转录活性又受到严格调控，而这正是抑制振荡器正常运作所需要的两个关键属性。他当时正好也在海德堡。所以Stan和我从实验室下山去和他会面，并向他展示了抑制振荡器的设计。Bujard看了我们的设计，提到他之前一直想设计构造另一个东西，然后直接画出了一个拨动开关基因线路 （Toggle switch）!
Asimov Press：
哇，这太巧了！当你们最终在2000年发表抑制振荡器的时候，是否意识到它会与波士顿大学的 Timothy Gardner、Charles Cantor 和 Jim Collins 构建的拨动开关基因线路论文背靠背发表？估计当时你认为自己是唯一一个在构建合成基因线路的人吧。
Michael Elowitz:
是的，我当时完全不知道有人正在构建拨动开关基因线路，直到我打开那期杂志的时候才发现。
Asimov Press：
当你终于让抑制振荡器成功运行，你是否意识到那一刻的意义？你是否知道自己正在开创一个全新的生物学领域？
