1.3.2　工程化設計

設計合成生物學工程化系統所面臨的主要挑戰在于生物元件復雜性，例如正交性、環境依賴性、穩定性、可預測性等。就正交性來講，源于自然界的生物元件經常與底盤細胞存在不可預知的干擾，而這樣的干擾會影響人工生物系統的性能。良好的正交性即表示元件間或元件與宿主遺傳背景間不存在不良相互作用或干擾。

本節將介紹實現合成生物元件、生物裝置和系統模塊化設計的幾個必要步驟，即解耦、抽提和標準化。

1．解耦

耦合是指系統內部各個部分之間存在相互依賴、相互影響、相互制約的情況，而解耦（decoupling）是指將一個復雜系統分解成較為獨立的模塊（類似于將一個復雜的問題分解成許多較簡單的問題），這些模塊可以獨立工作，但也可以整合起來形成一個有效整體。這里給出解耦的兩個代表性例子：在建筑工程領域，一個項目通常被分解成設計、預算、施工、項目管理和監查等可獨立處理的任務；在軟件工程中，解耦就是減少耦合的過程，即把各代碼模塊的關聯依賴降到最低，讓代碼更加模塊化、靈活、易于維護和擴展。

在合成生物學領域，遵循解耦的思想同樣可以處理復雜生物系統的模塊化和標準化問題。通過將生物系統解耦成一系列相互獨立的模塊，我們可以實現標準化模塊的快速組裝。例如，開發標準化底盤細胞，為搭載于細胞中的任何生物裝置提供已知速率的核苷酸、氨基酸和其他資源（類似于電池），而這些與生物裝置的細節無關。此外，為了解決生物元件之間以及元件與環境背景之間的干擾問題，我們應在構建生物裝置時最大限度地實現“解耦”。具有良好特性的標準化生物元件可以滿足“解耦”需求，進而構建包含不同功能或具有不同動力學參數的標準化元件庫。當具有多個生物裝置或生物系統時，我們應保證中心法則關鍵過程（復制、轉錄和翻譯）的離散性，例如在基因線路工程中，使用獨立的啟動子來正交控制多個基因的轉錄——這可以通過選用具有正交性的轉錄因子實現。

2．抽提

處理復雜天然生物系統的另一個策略就是抽提。抽提（abstraction）是指研究生物體各個元件的特征、功能等，并進行概括、抽象、總結，然后加以詳細表征，以便于更廣泛地使用，并使生物系統可以達到預期的功能。

目前主要有兩種策略對生物系統進行抽提，如下所示。

（1）用分層次抽提來提取描述生物功能的信息，以降低生物系統的復雜程度。對于生物工程的抽象層次模型，只考慮在每一層次的信息，而不考慮其他層次的細節。原則上，不同層次的信息只允許有限交流。

（2）對于構成工程生物系統的模塊，通過重新設計和構建，對其進行適當簡化，以便模擬和組裝。例如，天然啟動子、核糖體結合位點和開放閱讀框的新組合所產生的蛋白表達水平一般很難預測，而通過人工設計改造的上述元件可通過數學建模等方式進行表達量的預測。

3．標準化

隨著高通量測序技術的快速發展、測序成本的降低以及組裝方法的不斷完善，已測序的基因組規模呈指數級增長，為合成生物學研究提供了更多天然的生物元件。這些天然的生物元件包括蛋白質編碼序列、基因表達和信號傳導的調控元件以及其他功能性遺傳元件。然而，未經標準化的天然生物元件難以符合特定的工程需求，不能直接應用到合成生物學系統的構建中。

電子、機械等工程領域通常依賴于標準化元件，通過對自然界的原材料加以提煉和改造，生產出符合制造和使用標準的工業元件，進而集成工業產品。在設計合成生物學系統時，標準化的生物元件有助于實現方便、快捷的自動化或半自動化組裝，從而靈活運用生物元件進行多種生物學實驗操作，既可以避免大量重復勞動，又能降低時間成本。

將具有生物功能的元件經過DNA序列設計使之滿足特定要求，即可形成標準化生物元件，即生物積塊。標準化生物元件的典型應用例子是BioBrick組裝，BioBrick組裝標準要求每一個生物積塊使用相同的前綴和后綴序列，其中前綴序列包含EcoR I和Xba I兩個酶切位點，后綴序列包含Spe I和Pst I兩個酶切位點。因此，要兼容BioBrick組裝標準，必須對生物積塊進行設計，以確保基因編碼序列不含有上述BioBrick限制性內切酶位點。除BioBrick組裝方法之外，研究人員還開發了BglBrick、Golden Gate、Gibson組裝以及同源重組等方法，成功實現了從單基因序列到完整基因組的組裝。隨著生物元件的數量越來越多，DNA元件組裝方法不斷豐富，如何快速、有效地完成目標序列的標準化組裝成了合成生物學的一個關鍵問題。Densmore等人開發了DNA組裝的自動化設計軟件，該軟件可針對需要組裝的最終DNA序列設計最優的組裝方案，通過高效利用元件庫中的已有元件和不同序列間的共有序列，優化目標序列的合成途徑，確定最佳的組裝階段數并最小化組裝時間，加快DNA合成與組裝速度。此外，生物元件產生信號的量化和度量也是標準化的一個重要方面。PoPS是指RNA聚合酶分子每秒（RNA polymerase per second）通過DNA上某一定點的數量，用于衡量轉錄水平上元件輸入/輸出信號的強度。

截至目前，研究人員已建立了許多具有代表性的標準，例如DNA序列數據、微陣列數據、蛋白結構數據、酶命名法則、系統生物學模型和限制性內切酶活性等。研究人員可以通過收集、整理和保存各類生物元件來構建生物元件數據庫，實現生物元件的共享，進而提高生物系統設計與構建的效率。

常見的標準化生物元件數據庫名稱如下。

（1）標準生物元件登記庫（Registry of Standard Biological Parts，RSBP）。2003年，麻省理工學院創辦了國際基因工程機器大賽（iGEM），并組建了標準生物元件登記庫。迄今為止，標準生物元件登記庫已登記了超過20000個標準化生物元件，其中包括啟動子、轉錄單元、質粒骨架、轉座子、蛋白質編碼區等DNA序列，核糖體結合位點、終止子等RNA序列，以及一些蛋白質結構域。值得一提的是，標準生物元件登記庫中的生物學元件都是以載體形式保存的。

（2）生物積塊基金會（BioBricks Foundation，BBF）。生物積塊基金會由眾多合成生物學領域專家于2004年發起，致力于推動合成生物學技術在更多領域的發展。生物積塊基金會制定了元件使用與分享過程中的法律框架與相關標準，例如生物積塊公共協議（BioBricks Public Agreement），以期促進和規范標準化生物元件的收集與共享。

（3）標準虛擬元件庫（Standard Virtual Parts，SVPs）。標準虛擬元件庫由英國學者Cooling等人創建，其包含模塊化、可重復使用的生物學元件及相互作用模型，例如啟動子、操縱子、蛋白編碼序列、核糖體結合位點、終止子以及元件間相互作用模型，這些元件可用于基因回路以及生物系統的模型驅動設計。

（4）合成元件庫（Inventory of Composable Element，ICE）。ICE由美國能源部聯合生物能源研究所（Joint BioEnergy Institute，JBEI）開發，是一個開源生物元件信息管理平臺，包含質粒、菌株以及各種標準DNA元件。ICE基于網絡注冊理念創建，既可以通過網絡瀏覽器訪問，也可以通過網絡應用程序接口訪問。

（5）標準生物元件知識庫（Standard Biological Parts Knowledgebase，SBPkb）。標準生物元件知識庫由華盛頓大學的研究人員創建，可查詢和檢索用于合成生物學研究的標準化生物元件。SBPkb將生物元件信息轉換為可以利用合成生物學元件語義框架進行計算的信息，這個框架被稱為合成生物學公開語言語義（Synthetic Biology Open Language-semantic， SBOL-semantic），SBOL也是目前合成生物學領域進行元件設計的標準語言。

（6）合成生物學數據與元件庫（Registry and Database of Bioparts For Synthetic Biology）。這是中國科學院于2016年創建的國內第一個合成生物學元件庫，其包括生物元件、底盤細胞、化合物、途徑、基因組及模型等多類數據信息與實體。該庫通過對公共數據庫的序列進行篩選整合，共獲得36萬個催化元件信息，其中7萬多個催化元件的表征信息具有實驗數據支持。