1.3.1　層級(jí)化結(jié)構(gòu)

合成生物學(xué)主要基于“自下而上”的正向工程學(xué)思想，通過(guò)三個(gè)基本層次進(jìn)行層級(jí)化構(gòu)建，即生物元件、生物裝置和生物系統(tǒng)（見(jiàn)圖1-2）。生物元件是指具有特定功能的DNA序列，是遺傳系統(tǒng)中最簡(jiǎn)單、最基本的生物積塊（BioBrick）。具有不同功能的生物元件可以組合為更復(fù)雜的生物裝置，而具有不同功能的生物裝置協(xié)同運(yùn)作就可以構(gòu)成更復(fù)雜的生物系統(tǒng)。

圖1-2　層級(jí)化結(jié)構(gòu)示意圖

1．生物元件

生物元件是遺傳系統(tǒng)中生命體發(fā)揮功能的最小單元，按照功能的不同，生物元件可以劃分為啟動(dòng)子、核糖體結(jié)合位點(diǎn)、終止子、蛋白質(zhì)編碼序列等。

（1）啟動(dòng)子（promoter）。啟動(dòng)子是指通過(guò)控制RNA聚合酶與DNA的結(jié)合，從而控制目的基因轉(zhuǎn)錄的元件，即通過(guò)控制啟動(dòng)子的位置、操縱位點(diǎn)數(shù)量或者啟動(dòng)子序列本身來(lái)調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物與啟動(dòng)子的結(jié)合親和力，從而控制轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度。啟動(dòng)子可分為激活型啟動(dòng)子、阻遏型啟動(dòng)子和組成型啟動(dòng)子。激活型啟動(dòng)子會(huì)受到轉(zhuǎn)錄因子的正調(diào)控，轉(zhuǎn)錄因子水平的提升會(huì)使此類啟動(dòng)子的活性增加。典型的基于化學(xué)誘導(dǎo)劑的激活型啟動(dòng)子包括pLac啟動(dòng)子和pBAD啟動(dòng)子，這些啟動(dòng)子在基因線路中得到了廣泛應(yīng)用。除了基于化學(xué)誘導(dǎo)劑的誘導(dǎo)方式，“非接觸式”激活型啟動(dòng)子可以滿足對(duì)誘導(dǎo)方式的特殊要求，其中包括以光源等作為誘導(dǎo)劑的光敏啟動(dòng)子以及通過(guò)熱激或冷激等作為誘導(dǎo)劑的溫敏啟動(dòng)子。阻遏型啟動(dòng)子會(huì)受到轉(zhuǎn)錄因子的負(fù)調(diào)控，轉(zhuǎn)錄因子水平的提升會(huì)使此類啟動(dòng)子的活性降低。例如，在藍(lán)光阻遏型啟動(dòng)子設(shè)計(jì)中，對(duì)藍(lán)光敏感的蛋白結(jié)構(gòu)域被插入大腸桿菌啟動(dòng)子的?35至?10區(qū)域內(nèi)，當(dāng)藍(lán)光存在時(shí)，該蛋白形成二聚體并造成空間位阻，可以阻止RNA聚合酶的募集和轉(zhuǎn)錄。組成型啟動(dòng)子直接受到RNA聚合酶的影響，此類啟動(dòng)子的下游基因表達(dá)相對(duì)穩(wěn)定，其表達(dá)強(qiáng)度取決于基因線路上所使用的組成型啟動(dòng)子的強(qiáng)度。值得一提的是，Anderson啟動(dòng)子庫(kù)是一種合成生物學(xué)常用庫(kù)，提供了各種強(qiáng)度的組成型啟動(dòng)子。但需要注意的是，強(qiáng)度極高的組成型啟動(dòng)子會(huì)消耗細(xì)胞內(nèi)大部分聚合酶和核糖體資源，進(jìn)而給細(xì)胞帶來(lái)一定的代謝負(fù)擔(dān)，甚至?xí)?dǎo)致宿主細(xì)胞出現(xiàn)明顯的生長(zhǎng)缺陷現(xiàn)象。此外，可將兩種或兩種以上不同啟動(dòng)子元件融合構(gòu)成新的啟動(dòng)子，即雜合啟動(dòng)子。例如，pTac啟動(dòng)子為色氨酸啟動(dòng)子與乳糖啟動(dòng)子融合形成，兼具強(qiáng)啟動(dòng)能力和可調(diào)控性。

（2）核糖體結(jié)合位點(diǎn)（ribosome binding site，RBS）。RBS是指mRNA分子中位于啟動(dòng)子下游、起始密碼子上游的一段短核苷酸序列，用于募集核糖體以啟動(dòng)轉(zhuǎn)錄。由于核苷酸的變化可以改變mRNA 5′端的二級(jí)結(jié)構(gòu)，影響核糖體與mRNA結(jié)合自由能，從而改變蛋白質(zhì)的整體翻譯速率，因此RBS序列中的微小變化往往會(huì)導(dǎo)致表達(dá)效率上的巨大差異。Anderson RBS庫(kù)是廣泛使用的RBS庫(kù)之一，可提供各種轉(zhuǎn)錄強(qiáng)度的RBS序列。一些在線設(shè)計(jì)工具可以預(yù)測(cè)RBS序列的強(qiáng)度，可為用戶設(shè)計(jì)提供所需強(qiáng)度的RBS序列。此外，在5′端引入絕緣子（insulator）可提高預(yù)測(cè)效率。

（3）終止子（terminator）。終止子是指標(biāo)志著轉(zhuǎn)錄結(jié)束的一段短DNA序列。原核生物的終止子在終止點(diǎn)之前都有回文結(jié)構(gòu)，可使轉(zhuǎn)錄出來(lái)的RNA形成一個(gè)莖環(huán)式的發(fā)夾結(jié)構(gòu)。一類終止子不依賴β因子，一般通過(guò)轉(zhuǎn)錄生成mRNA發(fā)夾結(jié)構(gòu)，進(jìn)而阻止RNA聚合酶繼續(xù)沿DNA移動(dòng)，使聚合酶從DNA鏈上脫落下來(lái)終止轉(zhuǎn)錄；另一類終止子則依賴β因子，即轉(zhuǎn)錄終止需要β因子的協(xié)同。通常，為了防止轉(zhuǎn)錄終止子不能完全終止轉(zhuǎn)錄，我們可以使用雙終止子使之完全終止轉(zhuǎn)錄。既往研究已發(fā)現(xiàn)并鑒定了大腸桿菌幾百種不同強(qiáng)度的終止子，其中有39種強(qiáng)終止子適用于復(fù)雜的大型基因線路設(shè)計(jì)。

（4）蛋白質(zhì)編碼序列（protein coding sequence，CDS）。蛋白質(zhì)編碼序列位于RBS下游，是基因線路中表達(dá)的目標(biāo)蛋白質(zhì)。CDS以起始密碼子開(kāi)始，以終止密碼子結(jié)束，并保證在CDS中間沒(méi)有提前出現(xiàn)終止密碼子。如果CDS來(lái)自其他物種，應(yīng)根據(jù)宿主菌的密碼子使用頻率進(jìn)行密碼子優(yōu)化以改善蛋白質(zhì)表達(dá)。

按在生物系統(tǒng)中的功能不同，生物元件可以分為響應(yīng)元件、調(diào)控元件、報(bào)告元件和降解元件。

（1）響應(yīng)元件（response element）。響應(yīng)元件可以是DNA、RNA或蛋白分子，能夠在分子信號(hào)的誘導(dǎo)下激活或抑制基因的表達(dá)。響應(yīng)元件在生物傳感器中具有廣泛的應(yīng)用前景，可用其設(shè)計(jì)生物學(xué)反應(yīng)系統(tǒng)與信號(hào)感應(yīng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物系統(tǒng)的精確調(diào)控。常見(jiàn)的響應(yīng)元件包括感光元件、溫度元件、酸堿響應(yīng)元件以及化學(xué)信號(hào)響應(yīng)元件等。

● 感光元件一般為光感基因所表達(dá)的光敏受體蛋白，這些蛋白可以感受到不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成細(xì)胞內(nèi)的生物信號(hào)，從而調(diào)控基因表達(dá)。

● 溫度元件包括熱激反應(yīng)元件和冷激反應(yīng)元件，可以根據(jù)外界溫度變化調(diào)控基因表達(dá)水平。

● 酸堿響應(yīng)元件通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子或RNA穩(wěn)定性等方式，根據(jù)細(xì)胞外環(huán)境的pH值來(lái)調(diào)控基因表達(dá)水平。

● 化學(xué)信號(hào)響應(yīng)元件可以識(shí)別和結(jié)合特定的化學(xué)物質(zhì)濃度和種類，進(jìn)而通過(guò)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)改變基因表達(dá)水平。例如，一些小分子化合物（如阿拉伯糖、異丙基硫代-β-半乳糖苷）可以作為外部信號(hào)調(diào)控基因表達(dá)。

此外，還有聲響應(yīng)元件、電響應(yīng)元件以及氧氣響應(yīng)元件等，在選擇響應(yīng)元件時(shí)，我們需要綜合考慮應(yīng)用場(chǎng)景、靈敏度、特異性及環(huán)境依賴性等因素。

（2）調(diào)控元件（regulator element）。調(diào)控元件通常為蛋白質(zhì)或RNA，能夠與DNA序列結(jié)合并實(shí)現(xiàn)對(duì)基因表達(dá)的快速響應(yīng)和精確調(diào)控。常見(jiàn)的調(diào)控元件包括強(qiáng)調(diào)控元件、弱調(diào)控元件、可變調(diào)控元件和組織特異性調(diào)控元件。

● 強(qiáng)調(diào)控元件通常具有較高的活性，能夠快速驅(qū)動(dòng)基因表達(dá)。

● 弱調(diào)控元件具有較低的活性，能夠維持基因表達(dá)的穩(wěn)定。

● 可變調(diào)控元件可以根據(jù)外部信號(hào)調(diào)節(jié)基因表達(dá)水平。

● 不同種類的組織或細(xì)胞中基因調(diào)控表達(dá)存在差異。組織特異性啟動(dòng)子是一種組織特異性調(diào)控元件，在該啟動(dòng)子調(diào)控下，外源基因一般只在某些特定的器官或組織部位表達(dá)。例如，Bilal等人采用Cre重組酶雙熒光報(bào)告基因小鼠作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，將在心臟具有特異活性的Nppa和Myl2啟動(dòng)子插入表達(dá)Cre的腺相關(guān)病毒（AAV9）載體中，最后將AAV9基因特異性表達(dá)載體應(yīng)用在心臟腔室中進(jìn)行基因特異性表達(dá)研究。

（3）報(bào)告元件（reporter element）。報(bào)告元件通常可以產(chǎn)生明顯可觀察的蛋白質(zhì)或者RNA分子作為信號(hào)，用于監(jiān)測(cè)生物系統(tǒng)的狀態(tài)。典型的報(bào)告蛋白元件包括熒光蛋白（綠色熒光蛋白、紅色熒光蛋白等）、生物發(fā)光系統(tǒng)（luxCDABE）、熒光素酶基因（Luc）和比色系統(tǒng)（LacZ藍(lán)白斑）。例如，β-半乳糖苷酶基因（LacZ）可以編碼一種酶，能夠?qū)-gal轉(zhuǎn)化為藍(lán)色產(chǎn)物。除了上述報(bào)告元件，還有許多其他的報(bào)告元件，例如熒光蛋白基因的突變體、熒光素酶的突變體等。在選擇報(bào)告元件時(shí)，我們需要考慮其靈敏度、特異性、穩(wěn)定性、不影響目標(biāo)基因表達(dá)等因素，并結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)。尤其是，在研究基因表達(dá)動(dòng)力學(xué)時(shí)，我們應(yīng)該考慮到不同的熒光蛋白具有不同的熒光成熟時(shí)間——這可能在建模研究動(dòng)力學(xué)時(shí)帶來(lái)不必要的延遲。如果有其他蛋白質(zhì)并行表達(dá)，可使用合適的熒光報(bào)告分子，例如以單體形式存在的超折疊綠色熒光蛋白（superfolder green fluorescent protein，sfGFP），可以最大程度地減少對(duì)其他蛋白質(zhì)的干擾。

（4）降解元件（degradation element）。降解元件一般為能夠催化mRNA降解的RNA分子，進(jìn)而控制基因的表達(dá)和生物系統(tǒng)的代謝過(guò)程，可用于構(gòu)建RNA干擾、基因沉默或者其他基因敲除技術(shù)。例如，RNase E（ribonuclease E）是大腸桿菌及相關(guān)微生物中的核糖核酸酶，能識(shí)別并切割特定的RNA序列，在mRNA降解以及rRNA和tRNA成熟中可起到關(guān)鍵作用；RNase Ⅲ（Ribonuclease Ⅲ）是大腸桿菌中的一種特異性核酸外切酶，能識(shí)別并切割RNA的雙鏈結(jié)構(gòu)；丁型肝炎病毒（hepatitis delta virus，HDV）的基因組中編碼有一種核酸酶，能識(shí)別并切割其RNA的特定序列。此外，蛋白質(zhì)降解決定子（degron）通過(guò)與目的基因融合表達(dá)，可被細(xì)胞內(nèi)的蛋白酶識(shí)別，以介導(dǎo)蛋白質(zhì)的降解。

2．生物裝置

將生物元件按一定的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)加以組合，使其發(fā)揮特定的功能，即可形成生物裝置（biological device）。生物裝置通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)、代謝作用以及其他方式處理輸入信號(hào)，進(jìn)而生成輸出信號(hào)。也就是說(shuō)，生物裝置內(nèi)可發(fā)生一系列生物化學(xué)反應(yīng)，包括轉(zhuǎn)錄、翻譯、蛋白質(zhì)磷酸化、變構(gòu)調(diào)節(jié)、蛋白質(zhì)相互作用以及酶反應(yīng)等。

基礎(chǔ)的生物裝置包括報(bào)告裝置、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)裝置以及蛋白質(zhì)生成裝置。

（1）報(bào)告裝置。報(bào)告裝置是使產(chǎn)物可以被檢出的裝置。它將啟動(dòng)子、調(diào)控元件和報(bào)告元件加以組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控。

（2）信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)裝置。信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)裝置是環(huán)境與細(xì)胞或者細(xì)胞與細(xì)胞之間接收、傳遞信號(hào)的裝置。細(xì)胞通過(guò)感受環(huán)境信號(hào)或其他細(xì)胞分泌的信號(hào)分子等，將信號(hào)轉(zhuǎn)入細(xì)胞內(nèi)部，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)逐級(jí)傳遞至效應(yīng)蛋白，最終輸出特定的信號(hào)。

（3）蛋白質(zhì)生成裝置。蛋白質(zhì)生成裝置是能夠產(chǎn)生目標(biāo)蛋白質(zhì)的裝置。它可以整合調(diào)控元件序列與蛋白質(zhì)編碼序列，按需求實(shí)現(xiàn)目標(biāo)蛋白質(zhì)的表達(dá)。

構(gòu)建生物裝置的基礎(chǔ)是設(shè)計(jì)與合成基因線路，這也是合成生物學(xué)學(xué)科形成的標(biāo)志性工作。所謂基因線路的合成，是指利用電氣工程框架和數(shù)字電路的邏輯運(yùn)算思想，按照電子工程學(xué)原理和方式設(shè)計(jì)、模擬，運(yùn)用不同功能的基因和由生物分子組成的基本功能元件構(gòu)建動(dòng)態(tài)調(diào)控系統(tǒng)，通過(guò)特定的控制邏輯在活細(xì)胞內(nèi)感知和處理信號(hào)分子。研究人員可以用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型對(duì)這些簡(jiǎn)單的基因線路進(jìn)行描述并利用外界信號(hào)對(duì)其加以調(diào)控，以及對(duì)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行評(píng)估并可重設(shè)計(jì)、重合成。2000年，波士頓大學(xué)的James Collins課題組采用反饋調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)出了雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)（toggle switch），這是第一個(gè)真正具有合成生物學(xué)意義的基因線路功能模塊，是構(gòu)建具備設(shè)計(jì)功能的工程基因線路的開(kāi)創(chuàng)性工作。同年，普林斯頓大學(xué)的Elowitz和Leibler設(shè)計(jì)并構(gòu)建了基因表達(dá)振蕩器，利用3個(gè)轉(zhuǎn)錄抑制模塊實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)的規(guī)律性振蕩。隨后，各種控制模塊陸續(xù)得以設(shè)計(jì)、構(gòu)建，包括基因開(kāi)關(guān)、振蕩器、放大器、邏輯門、計(jì)數(shù)器以及復(fù)雜組合基因線路。2008年，研究人員在大腸桿菌中開(kāi)發(fā)了快速、可持續(xù)并具有魯棒性的遺傳振蕩器，使之通過(guò)負(fù)反饋線路實(shí)現(xiàn)時(shí)間延遲，產(chǎn)生功能性轉(zhuǎn)錄因子的細(xì)胞級(jí)聯(lián)過(guò)程，并通過(guò)正反饋線路提升振蕩器的魯棒性和可調(diào)性，實(shí)現(xiàn)了振蕩線路設(shè)計(jì)和理論研究方面的重大突破。2009年，研究人員首次在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)了對(duì)基因表達(dá)的周期性調(diào)控，該振蕩器基于正反饋與負(fù)反饋基因回路，可自主、自我維持，以及可調(diào)控完成基因的振蕩表達(dá)。這項(xiàng)工作有助于理解哺乳動(dòng)物晝夜節(jié)律鐘的精準(zhǔn)分子機(jī)制和表達(dá)動(dòng)態(tài)。2010年，研究人員通過(guò)合并群體感應(yīng)制成了同步基因振蕩器，該振蕩器由正、負(fù)反饋線路組成，其工作原理是：?jiǎn)我患?xì)菌產(chǎn)生的信號(hào)分子可向外擴(kuò)散并激活周邊細(xì)菌的基因線路，通過(guò)在線路中表達(dá)可分解該信號(hào)分子的蛋白，為循環(huán)提供延時(shí)制動(dòng)，單一細(xì)菌和相鄰細(xì)菌中的不同基因線路發(fā)生動(dòng)態(tài)相互作用，可用于建立信號(hào)分子和熒光蛋白的定期脈沖。這項(xiàng)工作為環(huán)境傳感器以及藥物輸送系統(tǒng)奠定了強(qiáng)大的基礎(chǔ)。

目前，基因線路的研究范疇已經(jīng)從轉(zhuǎn)錄調(diào)控?cái)U(kuò)展至轉(zhuǎn)錄后和翻譯調(diào)控，基因線路由此成為構(gòu)建人工生命系統(tǒng)以及探索生命運(yùn)行規(guī)律的強(qiáng)大工具。

3．生物系統(tǒng)

通過(guò)串聯(lián)、反饋或者前饋等形式，我們將生物裝置組合成更復(fù)雜的級(jí)聯(lián)線路或者調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，即生物系統(tǒng)（biological system）。自然生物系統(tǒng)中的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)有轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)、蛋白質(zhì)信號(hào)通路和代謝網(wǎng)絡(luò)。這里我們將以工程信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)、人工細(xì)胞-細(xì)胞通信系統(tǒng)、代謝工程、生物傳感器、最小基因組等為例，介紹生物系統(tǒng)的構(gòu)建策略以及研究進(jìn)展。

（1）工程信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)（engineering signal transduction）系統(tǒng)。細(xì)胞與環(huán)境間的相互作用，以及許多細(xì)胞功能是由多個(gè)相互聯(lián)系的工程信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)介導(dǎo)的，這些工程信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)由復(fù)雜的蛋白質(zhì)線路組成，蛋白質(zhì)線路則由許多不同的模塊域組成，從而賦予了信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)系統(tǒng)特定的功能和路徑連接，并決定了信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出。這些蛋白質(zhì)可以通過(guò)直接修飾（如磷酸化）或者與特定配體結(jié)合來(lái)轉(zhuǎn)導(dǎo)信號(hào)。蛋白質(zhì)調(diào)控的級(jí)聯(lián)線路對(duì)輸入具有超敏感性響應(yīng)，輸入信號(hào)中的微弱變化就可能促使輸出發(fā)生由低到高或由高到低的轉(zhuǎn)換。了解和操縱信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制可增加合成網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和靈活性。Dueber 等人對(duì)酵母中變構(gòu)蛋白信號(hào)開(kāi)關(guān)進(jìn)行了模塊化的重編程，與誘導(dǎo)肌動(dòng)蛋白N-WASP輸出結(jié)構(gòu)域變構(gòu)激活的正常輸入不同，該蛋白被設(shè)計(jì)成具有不同的自抑制輸入結(jié)構(gòu)域，可以響應(yīng)不同的誘導(dǎo)劑。通過(guò)這種方式，肌動(dòng)蛋白N-WASP 輸出與異源輸入耦合，進(jìn)而創(chuàng)建了全新的信號(hào)通路，使設(shè)計(jì)人員能夠觀察和理解某些參數(shù)如何影響開(kāi)關(guān)的行為。酵母支架蛋白Ste5和Pbs2通常分別介導(dǎo)的是α-factor因子響應(yīng)和滲透反應(yīng)，但經(jīng)過(guò)融合和改造，將α-factor因子輸入引導(dǎo)至滲透反應(yīng)輸出；Howard等人將磷酸酪氨酸識(shí)別結(jié)構(gòu)域 Grb2 和 ShcA 融合到Fadd蛋白的死亡效應(yīng)結(jié)構(gòu)域，構(gòu)建的新型嵌合蛋白可有效地引導(dǎo)有絲分裂或轉(zhuǎn)化受體酪氨酸激酶信號(hào)以觸發(fā)細(xì)胞死亡。

（2）人工細(xì)胞-細(xì)胞通信系統(tǒng)（artificial cell-cell communication system）。利用合成基因線路可構(gòu)建人工細(xì)胞-細(xì)胞通信系統(tǒng)。Basu等人利用由細(xì)菌種群中兩種不同細(xì)胞類型組成的特性良好的自然模塊設(shè)計(jì)了人工細(xì)胞-細(xì)胞通信系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，一種細(xì)胞負(fù)責(zé)發(fā)送信號(hào)，另一種細(xì)胞則用作信號(hào)接收器，可對(duì)發(fā)送細(xì)胞誘導(dǎo)劑信號(hào)的行為作出反應(yīng)。該系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為響應(yīng)誘導(dǎo)信號(hào)時(shí)空特征的脈沖發(fā)生器，為了響應(yīng)由發(fā)送細(xì)胞產(chǎn)生誘導(dǎo)劑增加的持久性，接收細(xì)胞以GFP的脈沖來(lái)響應(yīng)。在接收信號(hào)細(xì)胞的基因線路中，GFP和lambda抑制器都通過(guò)信號(hào)分子激活的LuxR轉(zhuǎn)錄因子響應(yīng)N-酰基高絲氨酸內(nèi)酯（N-acyl homoserine lactones AHL）濃度而表達(dá)，同時(shí)GFP的轉(zhuǎn)錄也可被lambda抑制元件所抑制。隨著AHL濃度的上升，GFP表達(dá)先上升，隨后被同時(shí)表達(dá)上升的lambda抑制器抑制。結(jié)果表明，根據(jù)誘導(dǎo)劑濃度和兩種細(xì)胞距離的變化，可通過(guò)數(shù)學(xué)模型定量描繪出對(duì)信號(hào)分子的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)曲線，實(shí)現(xiàn)了脈沖發(fā)生器的構(gòu)建。2015年，研究人員利用細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制來(lái)調(diào)節(jié)多種細(xì)胞類型的基因表達(dá)，構(gòu)建了由兩種不同的細(xì)胞類型組成的合成微生物群落，即“激活劑”菌株和“阻遏劑”菌株，這些菌株產(chǎn)生了兩個(gè)正交的細(xì)胞信號(hào)分子，在橫跨兩個(gè)菌株的合成線路中調(diào)節(jié)基因表達(dá)，形成種群水平振蕩，這項(xiàng)工作通過(guò)研究種群水平動(dòng)態(tài)進(jìn)行編程的能力為具有多種細(xì)胞類型的復(fù)雜組織和器官的人工合成指明了方向。

（3）代謝工程（metabolic pathway engineering）。在大腸桿菌和釀酒酵母菌等模式生物中使用工程途徑和模塊化的生物合成級(jí)聯(lián)，可以改變細(xì)胞原有的代謝途徑，進(jìn)而產(chǎn)生非天然的代謝物或提高目標(biāo)代謝物的產(chǎn)量。代謝工程的一個(gè)重要特點(diǎn)是將新的途徑整合到細(xì)胞中，并考慮到維持細(xì)胞基本功能所需的本地代謝物和操作手段。例如，青蒿素是治療瘧疾耐藥性效果最好的藥物，以青蒿素類藥物為主的聯(lián)合療法也是當(dāng)下治療瘧疾最有效、最重要的手段。青蒿素是由青蒿天然產(chǎn)生的，獲取難度大、制備時(shí)間長(zhǎng)且價(jià)格昂貴。為了降低青蒿素的成本，Ro等人開(kāi)發(fā)了酵母生產(chǎn)青蒿酸（青蒿素前體）的系統(tǒng)，使用一種改進(jìn)的甲羥戊酸途徑，通過(guò)使酵母細(xì)胞工程化來(lái)表達(dá)amorphadiene合成酶和細(xì)胞色素P450氧化酶（這兩種酶都源自工程菌大腸桿菌），其中P450氧化酶通過(guò)三步氧化法可將amorphadiene 氧化成青蒿酸。隨著后續(xù)研究中產(chǎn)量?jī)?yōu)化和規(guī)模化采收，基于青蒿素相關(guān)治療藥物的生產(chǎn)時(shí)間將顯著縮短，其成本也會(huì)降低。

（4）生物傳感器（biosensor）。合成生物學(xué)的發(fā)展大大促進(jìn)了生物傳感器的發(fā)展。生物傳感器利用待檢測(cè)物質(zhì)作為輸入信號(hào)，通過(guò)構(gòu)建的基因線路將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)為細(xì)胞內(nèi)的生化信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)下游特定基因的表達(dá)。全細(xì)胞生物傳感器的制造通常包含三個(gè)階段：對(duì)輸入的單一信號(hào)或多重信號(hào)感知、信號(hào)處理和產(chǎn)生可觀測(cè)的輸出反應(yīng)。目標(biāo)物理量的檢測(cè)通常是通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子發(fā)生別構(gòu)效應(yīng)（通過(guò)影響啟動(dòng)子區(qū)域來(lái)激活或抑制基因轉(zhuǎn)錄的啟動(dòng)）從而轉(zhuǎn)換為內(nèi)部生化信號(hào)，并觸發(fā)隨后的一系列細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)事件，從而將細(xì)胞內(nèi)部的生化信號(hào)轉(zhuǎn)化為外部可定量或定性檢測(cè)的報(bào)告信號(hào)。合成生物學(xué)技術(shù)大幅提升了可用于生物傳感器的元件數(shù)量和質(zhì)量。例如，計(jì)算機(jī)驅(qū)動(dòng)的蛋白質(zhì)工程技術(shù)可設(shè)計(jì)具有全新結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域、蛋白質(zhì)相互作用表面以及具有功能活性的酶，促進(jìn)了生物傳感器特定功能的實(shí)現(xiàn)。此外，基于細(xì)菌分裂與繁殖的全細(xì)胞生物傳感器大幅度降低了制造成本，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義，減少了將生物傳感平臺(tái)擴(kuò)展到工業(yè)應(yīng)用水平的障礙。

（5）最小基因組（minimal genome）。合成生物學(xué)的目標(biāo)之一是更好地理解生命，以及在功能上整合組成細(xì)胞的系統(tǒng)。解決這個(gè)問(wèn)題的主要策略之一是定義基因組中足以維持生命的最小組成部分。隨著高通量DNA測(cè)序和合成技術(shù)的發(fā)展，研究人員構(gòu)建了多種縮減基因組的底盤菌株。目前有兩種互補(bǔ)的策略來(lái)研究最小基因組：一種是“自上而下”的策略，即去除非必需的遺傳基因，進(jìn)一步簡(jiǎn)化生物體基因組——隨著大規(guī)模基因組測(cè)序與分析技術(shù)的發(fā)展，研究人員通過(guò)對(duì)來(lái)自不同生物體的基因組加以比較分析，揭示對(duì)于細(xì)胞生命和代謝途徑等必不可少的基因；另一種是“自下而上”的策略，即合成基因組的每個(gè)組件，并通過(guò)組裝實(shí)現(xiàn)基因組的人工合成。高速發(fā)展的生物技術(shù)使基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、生物合成途徑的開(kāi)拓乃至整個(gè)基因組的構(gòu)建成為可能，目前已成功合成的有病毒、細(xì)菌和真菌基因組。例如，研究發(fā)現(xiàn)，模式生物大腸桿菌的基因組大于5 Mb，包含4000多個(gè)基因，其中1000多個(gè)為未知功能的基因。大腸桿菌可在多種環(huán)境（如好氧和厭氧，以及不同營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、pH值和溫度等）下繁殖，然而其基因組編碼了許多實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)和工業(yè)發(fā)酵不需要的基因，這些基因會(huì)導(dǎo)致能量和原料的浪費(fèi)（如非必需基因組片段復(fù)制，以及功能冗余的轉(zhuǎn)錄物、蛋白質(zhì)和代謝物的合成），若刪除這些不必要序列，則有可能使其成為生物制造產(chǎn)業(yè)中的優(yōu)良細(xì)胞底盤。