这位物理学家，开创了生物学的新领域
这位物理学家，开创了生物学的新领域
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。
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。
从物理学转向生物学的灵感
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。
开创合成生物学领域的里程碑
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。
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”。
对抑制振荡器的深入探讨
在访谈中，Elowitz回顾了抑制振荡器的研究历程。他最初的想法源于对生物系统模型的质疑：这些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？
Elowitz选择从零开始，利用定义明确的组件和相互作用来构建基因线路，以验证这些线路是否真的足以控制某种细胞行为。他选择了振荡器作为研究对象，部分是因为他在物理学中研究过各种振荡器，部分是因为他认为构建一个可以“闪烁”的基因线路非常酷。
合成生物学的发展与挑战
Elowitz认为，合成生物学的发展需要解决许多关键问题。例如，目前我们甚至无法理性编程一个基因，让它在所有类型的细胞中表达。递送也是一个很大的挑战。此外，免疫原性也是一个重要问题，特别是在考虑治疗性线路时，如何设计这些组件以避免触发免疫反应是一个需要解决的问题。
物理学家在生物学中的独特贡献
Elowitz认为，物理学家在生物学中的成功可能源于他们独特的思维方式：注重将问题简化到本质，重视定量分析。这种风格对物理学家很有吸引力，但真正的突破往往来自于不同背景的人的共同努力。
结语
Elowitz的工作不仅开创了一个新的研究领域，更重要的是，他展示了跨学科合作的巨大潜力。从物理学转向生物学，Elowitz用他的研究证明了，通过构建来理解，可能是揭示生命奥秘的一把钥匙。
本文原文来自Asimov Press