2月28日，中国科学院深圳先进技术研究院合成生物学研究所娄春波课题组、北京大学汤超课题组以及中国科学院微生物研究所于波课题组合作，在国际学术期刊Nucleic Acids Research上发表了题为《Synthetic robust perfect adaptation achieved by negative feedback coupling with linear weak positive feedback》的研究成果。该研究面向合成生物学中人工基因线路稳定性差，功能脆弱、易受干扰的严峻问题，提出了功能基因线路“精准-鲁棒性”设计原理，并以稳态自适应功能为例，成功地证实了这一设计原理的可行性，为基因线路工程的下一步发展与推广应用提供了一种新范式。

文章链接：https://doi.org/10.1093/nar/gkac066

合成生物学的发展使得在生命体中设计动态复杂功能成为可能，进入更高级的“设计生命”阶段。复杂生命功能的实现依赖于精巧的基因线路，从合成生物学发展以来，无数基因线路被设计和验证，但人工基因线路的脆弱性仍是该领域面临的一大难题。除了内部调控元件的问题之外，外部环境易变性和宿主进化不稳定性已成为了阻碍基因线路功能的可预测设计的关键因素。

理论上，提高网络拓扑冗余度和鲁棒性可以使得基因线路抵御外界参数变化，但也导致基因线路的相互调控变得特别复杂，使得实验上构建鲁棒型基因线路的可行性变得极低。因此，怎样兼顾理论的鲁棒性和实验的可操作性，是基因线路在复杂环境下执行预设功能是更高层次的挑战，也是基因线路转化到基因治疗和动态代谢发酵等应用领域的关键瓶颈问题。为了解决上述问题，研究者提出了一种巧妙的设计方案：将实验上可精准测量的关键参数进行精准的实验设计，而其它易变的大部分参数进行鲁棒性设计，换句话说就是关键参数精准设计而大部分参数进行鲁棒性设计相结合的设计策略。这个全新的设计理念被称作“精准-鲁棒性”的设计原则。

以细胞表达稳态自适应功能为例，研究人员设计了一个新型拓扑网络——两节点负反馈耦合B节点的正反馈：需要精准设计的关键参数是B节点正反馈的激活强度满足[B]<BB关系以及自激活希尔系数为1，需要鲁棒性设计的参数是其它大部分参数可在具有生物学意义的区间内任意取值。理论上，满足这样拓扑结构和参数约束条件的基因线路应该能够鲁棒地执行完美自适应功能。实验上，研究团队实现了无需任何试错过程，就一次性成功地构建和执行了自适应功能，而且是完美的自适应功能。为了测试其它参数鲁棒性，拓扑的所有调控关系都进行了遗传突变微扰处理，发现它们依然能够完美地完成自适应功能。另外，研究团队发现这个基因线路就可以在不同环境培养条件下完成自适应功能。令人惊讶地，同样的基因线路和同样的功能序列可以从大肠杆菌的模式菌株搬到工业菌株，也可以搬到假单胞菌等其它菌株中，并且都能够完美地完成自适应功能。这些实验结果都证明这个基因线路的环境鲁棒性和宿主鲁棒性。

图1 功能基因线路“精准-鲁棒性”设计

实际上，早在2009年汤超课题组发表于Cell的理论工作中，就系统地阐述了拓扑网络穷举的方法，建立了基因调控网络“拓扑-功能”关系的普适性理论。本研究提出的精准-鲁棒性原理，立足于上述基础理论并充分结合生物学实践中获得约束条件，在环境易变性和宿主进化不稳定性的条件下实现了基因线路功能的可预测设计与构建，解决了当前基因线路设计领域“因何设计、如何设计”的困局，为下一步指导实际应用中基因线路设计提供了理论设计基础。

中科院深圳先进院合成所娄春波研究员、北京大学汤超教授和中科院微生物所于波研究员为本文共同通讯作者，中国科学院微生物研究所的博士研究生孙智、魏伟佳及毕业于北京大学的张明悦、史文佳博士为文章并列第一作者。北京大学杨晓静副研究员、中国科学院微生物研究所陈义华研究员以及蓝晶微生物宗夜晴博士等对论文的理论和实验设计做出了重要贡献。该研究得到国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院、广东省和深圳市等多个项目支持。