人工设计基因电路，细胞寿命延长82%

细胞衰老是影响人类寿命的重要因素。随着时间的推移，细胞内的生化反应会变得缓慢和混乱，导致细胞功能的下降和死亡。细胞衰老也与许多与年龄相关的疾病，如癌症、心血管病、糖尿病、阿尔茨海默病等有关。因此，控制和延缓细胞衰老是一项具有重大意义的科学挑战。

近年来，合成生物学作为一门新兴的交叉学科，致力于利用基因工程技术设计和构建具有预测功能的人工基因网络。合成生物学可以帮助我们理解和模拟自然界中的复杂生物现象，也可以为生物技术和医学提供新的解决方案。例如，合成生物学已经成功地构建了一些基本的基因电路，如开关、逻辑门、振荡器、图案生成器、噪声整形器、边缘检测器和事件计数器等。

在这些基因电路中，振荡器是一种能够产生周期性变化的动态系统，它在自然界中广泛存在，如昼夜节律、心跳、呼吸、内分泌等。振荡器也是一种重要的同步机制，它可以使个体之间协调一致地行动，如萤火虫闪光、神经元放电、心脏收缩等。振荡器在合成生物学中也有许多潜在的应用，如生物传感器、生物计算机、生物时钟等。

然而，合成基因振荡器通常很脆弱，它们很容易受到细胞内外环境变化的影响而失去稳定性和同步性。例如，温度是一个重要的影响因素，因为温度升高会加快生化反应的速率，从而缩短振荡周期。这就意味着不同温度下的细胞会有不同的振荡频率，导致细胞群体之间出现相位差异和失去节律。

为了解决这个问题，一些科学家们尝试了不同的方法来增强合成基因振荡器的鲁棒性和同步性。其中一个方法是利用合成基因“时钟”来实现温度补偿——即使细胞在不同温度下工作，其振荡周期也保持不变。这种特性并不容易实现，因为它需要在基因水平上对细胞内控制衰老的基因电路进行精确地调节。

合成基因“时钟”是一种利用基因工程技术改造细胞内控制衰老的基因电路的方法。科学家们发现，细胞在衰老过程中会遵循两种不同的路径，就像汽车的发动机或变速箱会随着时间而损耗一样。他们设计了一种负反馈回路，使细胞在两种衰老状态之间周期性地切换，从而避免了长时间停留在任何一种状态上，减缓了细胞的衰老速度。这种基因电路就像一个时钟一样，定时调节细胞的状态。这种方法可以显著延长细胞的寿命，为生命延长创造了新的纪录。

科学家们以酵母细胞为模型，发现了一个双反馈型的合成基因振荡器，它由两个相互抑制的转录因子组成。这个振荡器在正常情况下表现出温度依赖性，即温度升高时周期缩短，温度降低时周期延长。但是，科学家们通过对其中一个转录因子进行单个氨基酸突变，使其具有温度敏感性，即在高温下失去对目标启动子的抑制能力。这样一来，在高温下，转录因子之间的抑制作用减弱，导致周期增加；而在低温下，则保持原来的抑制作用和周期。这种温度诱导性使得振荡周期随着温度变化而自适应调节，从而实现了温度补偿。

科学家们通过计算机模拟和实验验证了这种合成基因“时钟”的工作原理，并发现它可以使酵母细胞在30°C到41°C之间保持一个接近恒定的48分钟周期。相比之下，在没有突变的情况下，酵母细胞在同样温度范围内的周期则从60分钟降到30分钟。此外，科学家们还发现这种合成基因“时钟”不仅可以延长酵母细胞的寿命达82%，而且可以促进酵母细胞群体之间的同步性。

这项研究展示了合成生物学在控制和延缓细胞衰老方面的巨大潜力，并为未来开发更健康和更长寿的人类提供了一个有前景的发展方向。

同时如本研究中一样，细胞内遗传密码的仔细调整是通过各种不断改进的技术完成的。它有多种使用方式——例如，提高作物的恢复力。

加州大学圣地亚哥分校的研究人员基于他们对酿酒酵母的上述实验发现，认为人类不太可能在短期内永生——但该团队认为，这项工作可以进一步帮助人体以更健康的方式衰老。

加州大学圣地亚哥分校的分子生物学家 Nan Hao 说：“这些基因电路可以像我们的家用电路一样运行，控制电器和汽车等设备。这是第一次使用计算引导的合成生物学和工程原理来合理地重新设计基因电路并重新编程衰老过程以有效地延长寿命。”

该研究已发表在Science上。

https://www.sciencealert.com/scientists-engineer-longevity-in-cells-with-a-hack-that-extends-lifespan