專訪|這位物理學家，開創了生物學的新領域

Michael Elowitz在2000年發表的一項研究，成為合成生物學領域的開端工作之一。他現在是加州理工學院生物系、生物工程系及應用物理系教授。圖片來源：Yitong Ma/David Jacobson。

導讀：

2000年1月，剛剛從普林斯頓大學博士畢業的Michael B. Elowitz和導師Stanislas Leibler在《自然》雜誌報告，他們設計出首個基因表達振盪器，利用3個基因模組彼此間的抑制作用，實現下游基因表達訊號的規律振盪，就像振盪電路輸出的規則波形。這一工作成為合成生物學這一新領域的關鍵成果之一。

Elowitz本科畢業於加州大學伯克利分校物理系，博士訓練在普林斯頓大學物理系完成，博士導師Leibler為生物學家和物理學家。

回顧這一開創性工作的緣起，Elowitz說：“當你利用自上而下的策略來研究一個線路時，你無法確定自己是否遺漏了某些元件。但如果從零開始，利用定義明確的元件和相互作用來構建線路的話，那麼就可以弄清楚這個線路是否真的足以控制某種細胞行為。”

本文原標題為“Synthetic Origins”，2024年4月2日首發於Asimov Press，《賽先生》獲授權翻譯併發布中文譯文。

原文連結：

https://press.asimov.com/articles/synthetic-origins

Asimov Press | 來源

賴勇陳子博 | 翻譯

1997年，Michael Elowitz在普林斯頓大學攻讀物理學博士學位時，突然萌生了一個絕妙的想法：如果我們能用 DNA 而不是電子裝置構建一個電路，並用它來“程式設計”活細胞，那會怎樣？

在接下來的三年裡，Elowitz和導師Stanislas Leibler一起努力，研究了這種合成基因線路，並取得了成功。他的最終設計，現在被稱為抑制振盪器(Repressilator)，僅由三個基因組成，每個基因編碼一個抑制子蛋白，抑制環路中下一個基因的轉錄。

具體而言，LacI蛋白特異性地結合並抑制用於控制TetR蛋白表達的啟動子，TetR蛋白特異性地結合並抑制用於控制cI蛋白表達的啟動子，最後cI蛋白特異性地結合並抑制用於控制LacI蛋白表達的啟動子，首尾相連，形成了一個閉合的遺傳線路。將編碼綠色熒光蛋白的基因置於上述3個啟動子當中一個的下游，當工程化的細胞從一個抑制子蛋白的表達迴圈到下一個蛋白表達時，它們就會開始在綠色和黑暗之間交替閃爍。至此，Elowitz創造出了基於細胞的活體振盪器。

上述材料來源於1998年在德國海德堡的一次報告。Credit: Michael Elowitz

（譯者注：在右圖所示的數學公式中，mRNA的濃度取決於自身降解、受抑制子蛋白控制的轉錄合成、以及本底的轉錄水平。抑制子蛋白的濃度取決於自身降解，以及來自mRNA的翻譯合成。這兩個看似簡單的式子組成了振盪器的數學基礎。）

2000年1月，這篇關於抑制振盪器的文章發表在《自然》雜誌上。同期背靠背發表還有另外一篇文章，報道了被稱為撥動開關(Toggle switch)的合成基因線路。這兩篇文章成為了一個新興學科領域——合成生物學——的旗幟性文章。

總之，這些早期的合成基因線路證明，工程師們的確可以在活體細胞裡重新創造一些複雜的基因網路，並且操控它們執行全新的功能。換句話說，他們可以“程式設計生物”。

Elowitz現在是加州理工學院生物系、生物工程系及應用物理系教授。他最近接受了Asimov Press的專訪。他回顧了自己在研究抑制振盪器時的早期疑慮，思考了物理學家為生物學帶來的獨特哲學理念，並重點介紹了團隊最近在開發解碼活細胞機制的技術方面已發表和未發表的專案。

本次採訪內容經過了編輯，以便簡潔明瞭。

Asimov Press：一開始就問你關於抑制振盪器的問題，我有點不好意思。每個人肯定都會問你這個問題。但是當我把你的論文和撥動開關基因線路的論文放在一起閱讀時，我注意到了一點，在論文的討論部分你重點關注合成基因線路對探究自然生物系統的重要性，而另一篇論文更關注合成基因線路的商業潛力。你可以就此展開談談嗎？

Michael Elowitz: 嗯，我從事合成生物學的動力往往更多是來自於基礎研究的角度，希望以此來探索細胞的工作原理。不過我也一直想探究這個問題：我們是否真的可以像計算機程式設計一樣對細胞進行程式設計。這真是一個非常吸引人的想法。

但早年間，實驗室裡的一切進展都非常慢且困難。甚至像構建只有3個基因，以今天的標準看起來很簡單的基因線路，也花了我好幾年的時間。我不得不去表徵每一個轉錄單元，並嘗試搭建一種方法，使我能夠獨立測量每個抑制子蛋白到下一個蛋白的傳遞函式，然後嘗試將它們串聯成雙基因線路，以此類推。

Asimov Press：2000年那一期《自然》雜誌出版後不久，合成生物學領域就開始騰飛。你如何看待它的快速發展？

Michael Elowitz: 最初的一段時間，這個領域由少數實驗室主導，但這些實驗室的數量不斷增加，他們小步推進，逐一實現了新的生物學功能：數字邏輯、計算和群體感應。這些嘗試為後來更加複雜的功能奠定了基礎。

不過，我始終堅信程式設計細胞的願景，並且覺得要實現這一願景，我們必須瞭解一些更基本的東西。為了讓我們的遺傳線路發揮作用，並能夠利用核心的細胞功能，我們需要了解各種細胞系統的“應用程式介面（API: Application Programming Interface）”，比如轉錄、訊號傳遞和細胞週期等。我們還需要弄清楚一些尚未被定量研究或在單細胞水平上進行測量的系統行為的基本問題。

例如，在發表那篇抑制振盪器的文章後不久，我又開展了另一項研究，測量一種簡單的響應函式——即抑制子蛋白對其目標基因的定量影響。這是一個基礎的傳遞函式，其形狀和波動對於預測更大規模的遺傳轉錄線路的行為至關重要。那是與 Nitzan Rosenfeld、Jon Young、Uri Alon 和 Peter Swain 合作完成的。

與此同時，雖然這些真實的（對我來說非常令人興奮的）實驗正在進行，而且一些實驗室發表了一些有趣的論文，數量也在不斷增加，但合成生物學卻被炒作得沸沸揚揚。這種炒作似乎超出了該領域的實際發展水平。由於我本身比較焦慮的性格，當時我擔心，如果整個領域做出的承諾根本無法在合理時間內實現，這種過度的炒作會反噬我們所有人。現在回過頭來看，這種擔憂其實是多餘的。

Asimov Press：你能詳細解釋一下細胞應用程式介面是什麼意思嗎？

Michael Elowitz: 我的意思是，這些具有生化性質的介面，透過它們，天然的細胞功能能夠被合成線路所控制。轉錄和翻譯是最明顯不過的例子，因為它們可以用來表達任何你感興趣的基因。但是合成線路的效能取決於它們控制儘可能多的內源性功能的能力：細胞週期、生長、形態狀態、與其他細胞的通訊、細胞的死亡程式、細胞成分的輸出等等。然而，我們並不清楚這些細胞系統實際上如何能夠被合成線路以一種特定的方式所控制，同時又不會干擾其他過程。因此，發現這些控制節點——定義細胞的天然應用程式介面——是合成生物學中非常重要的方面。

Asimov Press：抑制振盪器的想法最初是怎麼來的？

Michael Elowitz: 那應該是在1996或者1997年的某個時候。我還是普林斯頓Stanislas Leibler實驗室的研究生。非常多的人當時在嘗試給不同的生物線路建模，比如趨化性。我當時閱讀了大量關於不同生物系統的分子生物學論文，特別是關於生物鐘的研究，還有一本由Thomas和D’Ari撰寫的書《Biological Feedback》，書中概述了各種反饋線路的簡單模型。

當我閱讀所有這些論文時，我注意到很多都會總結一個模型，用來描述從論文的遺傳或者生化測定中推匯出的生物線路。我最深的感受是，這些線路模型真的足夠用來解釋生物行為嗎？還是它們僅僅是對觀察到的相互作用的總結，而可能忽略了很多其他的關鍵元件？這讓我抓狂。

我一直在想，人們怎麼才能夠知道什麼相互作用和元件是足以用來解釋某種細胞行為的？當你利用自上而下的策略來研究一個線路時，你無法確定自己是否遺漏了某些元件。但如果你從零開始，利用定義明確的元件和相互作用來構建線路的話，那麼就可以弄清楚這個線路是否真的足以控制某種細胞行為。

這就是我當時的想法。我只想要構建一個基因線路，看看能否讓它執行某種特定的細胞行為。抑制振盪器就是源於這一高層次的目標。但我選擇專注于振蕩器而非其他線路，與我在物理學中研究各種振盪器、閱讀過關於生物鐘的內容密切相關。最重要的是，我想製作出一些會發光閃爍的細菌的酷炫影片。我覺得構建出一個可以“閃爍”的基因線路簡直太酷了。

Asimov Press：抑制振盪器？一直是這個名字麼？

Michael Elowitz: 至少在1999年之前，我一直把它稱為“oscillon”，這個名字是“oscillator”（振盪器）和“operon”（操縱子）的混合。但有一天，我看到了一期《自然》雜誌的封面上印著“oscillon”這個單詞。我記得上面寫著“發現oscillon！”或者類似的話。在那種情況下，“oscillon”指的是顆粒介質中的一種相干振盪模式。當時我心想，“糟了，這個名字被用了。”不過後來我很慶幸，因為“repressilator” 這個名字其實更好。除了念起來很有趣之外，它還與一個傳統相連：以發現地命名化學振盪器非線性動態模型，比如“布魯塞爾振盪器”（Brusselator）和“帕洛阿爾託振盪器”（Palo Altonator）等。

Asimov Press：回到你當時正嘗試搭建抑制振盪器的那個時候，你對這個專案有什麼想法？周圍的人又是怎麼評價的？

Michael Elowitz: 嗯，我那個時候的確不知道它會不會成功。我不停地詢問其他人對這個專案的看法，得到了非常不同的回答。一些知名生物學家會說,“不，這個絕對行不通。這玩意兒就不會成功。”

然後我會追問他們，“那為啥行不通啊？”他們就會說：“生物學就不是那樣搞的。你無法預測將要發生什麼。”而另有一些人覺得這個專案聽上去很有趣。所以正面和負面反饋都有。現在回過頭來看還挺有趣的。我那個時候真的對這個專案感到很興奮。我向非常多的人談起過它，但隨後又要求他們發誓保密。這真的有點幼稚。

與此同時，我的導師Stanislas Leibler，一位真正具有遠見卓識的科學家，也是我個人靈感的來源，他從始至終都支援這個專案，我一直對此心存感激。

實際上， 1998年我的導師在德國海德堡歐洲分子生物學實驗室EMBL學術休假期間，我開始動手構建這個抑制振盪器。那一年，我一直都在尋找能找到的最合適的基因調控元件。Hermann Bujard曾對細菌啟動子的特性進行了非常細緻的研究。這些特性可以讓啟動子既有強大的轉錄活性又受到嚴格調控，而這正是抑制振盪器正常運作所需要的兩個關鍵屬性。他當時正好也在海德堡。所以Stan和我從實驗室下山去和他會面，並向他展示了抑制振盪器的設計。Bujard看了我們的設計，提到他之前一直想設計構造另一個東西，然後直接畫出了一個撥動開關基因線路（Toggle switch）!

Asimov Press：哇，這太巧了！當你們最終在2000年發表抑制振盪器的時候，是否意識到它會與波士頓大學的 Timothy Gardner、Charles Cantor 和 Jim Collins 構建的撥動開關基因線路論文背靠背發表？估計當時你認為自己是唯一一個在構建合成基因線路的人吧。

Michael Elowitz: 是的，我當時完全不知道有人正在構建撥動開關基因線路，直到我開啟那期雜誌的時候才發現。

Asimov Press：當你終於讓抑制振盪器成功執行，你是否意識到那一刻的意義？你是否知道自己正在開創一個全新的生物學領域？

Michael Elowitz: 嗯，在普林斯頓的時候，沒有人告訴我如果做成了這個將會有多了不起。我完全沒有收到過那樣的反饋。而且我自己也從來沒有從那些方面考慮過。我只是覺得它會很酷。我是真的想知道它是不是可以實現，而且腦海裡在不斷地想象它實際執行的畫面。

論文發表後，我做了很多關於它的學術報告，我覺得反響是積極的。但直到幾年後，大概是2000年代中期，合成生物學領域才真正迎來了轉折點。

Asimov Press：你發表抑制振盪器的研究以後，我聽說其他人復現實驗結果遇到了困難。這個系統有點難以除錯執行。這是真的嗎？

Michael Elowitz: 我認為情況並不完全是那樣的。不過，在那篇論文中，我們確實強調了動態過程中的可變性。而且我們觀察到基底熒光水平隨時間的增加。這是因為我當時使用的實驗條件——將細菌放在瓊脂糖平板上——並不是穩定狀態。隨著時間的推移，培養基中的廢棄產物會逐漸積累，細胞的生長速度也變得越來越慢。

多年以後，Laurent Potvin-Trottier、Johan Paulsson及其團隊使用原始的抑制振盪器，將經過工程改造的細胞放入微流控通道中的“母機”（Mother Machine）中。在這種裝置中，他們能夠在恆定條件下追蹤數百代細胞的動態表現。結果顯示，抑制振盪器基本上能夠永遠持續振盪。不過，這個系統確實存在很大的可變性，而Laurent和Johan後來在他們的論文中對此進行了詳細的解釋。

Asimov Press：他們的解釋是什麼？

Michael Elowitz: 嗯，這有些反直覺。最初的抑制振盪器包含三個抑制子蛋白，每個抑制子蛋白都會抑制下一個。其中一個抑制子蛋白是 tetR，它與其操縱子序列結合得非常緊密。Johan 的研究表明，由於這種結合非常緊密，振盪過程中由tetR 參與階段的結束需要 tetR 離得足夠遠才能解除對其操縱子序列的抑制。

但是，由於其結合過於緊密，這就需要等待 tetR 的最後幾個蛋白分子從細胞中被稀釋掉，這使得系統對隨機波動非常敏感。而這實際上是抑制振盪器動態過程中最大的不確定性來源之一。

因此Johan 修復了這個問題，並構建了一個版本，這個版本的線路精度非常高，可以可靠地振盪更長時間，在約 180 代細胞分裂過程中保持其振盪相位。

Asimov Press：當人們開始使用“合成生物學”這個術語時，你對此怎麼看？你覺得這個領域現在是否已經到了一個拐點？很多你最初擔心的炒作如今正在變為現實？

Michael Elowitz: 我一直很喜歡“合成生物學”這個術語。它非常貼切，類似於化學領域中的合成化學和分析化學。至於這個領域的發展，是的，我確實覺得如此。一些非常瘋狂的設想仍然遙不可及，但合成生物學可以讓我們改進或創造有用的治療方法，比如真正利用對細胞程式設計的能力，這一基本前提正在慢慢成為現實。這非常令人興奮。一切都比人們預期的耗時更久，但細胞在很大程度上是一種可程式設計實體這一基本前提，似乎是成立的。

Asimov Press：細胞是計算機嗎？或者有更好的類比嗎？

Michael Elowitz: 用計算機作為類比是一把雙刃劍。這種類比很有用，因為細胞是一種可程式設計的實體，可以執行許多不同的功能。在我們的日常生活中，最接近這種功能的東西就是計算機。你可以對計算機進行程式設計，使其執行各種任務。同樣地，我認為細胞也具備這種特性：你可以程式設計讓細胞生長、分裂、改變形態、與其他細胞互動，甚至完成許多我們難以想象的事情。細胞是開放的可程式設計系統。

我們甚至可以對細胞進行程式設計，讓它們執行一些在自然進化過程中並未被賦予的功能。從這個角度來看，計算機的類比顯然是非常有用且準確的。

但細胞也在很多方面並不像計算機，我認為這些區別同樣重要。細胞是噪聲化的系統，它們利用這種噪聲在群體水平上調控行為。細胞會自我複製，並呈指數增長——計算機可不會這樣。此外，與透過導線連線的電晶體不同，細胞是透過特定分子相互作用的分子進行連線。

另一個例子是負數，對吧？在生物學中，不可能有一個分子的濃度為負的情況，這意味著生物學必須以獨特的方式解決問題。還有組合性，在生物系統中，訊號是透過分子組合來編碼的，這些分子透過競爭形成不同的複合體。這些系統在某些方面類似於數字計算，但又有很大的不同。

所以，讓我對這個類比感到擔憂的是，當我們開始把電子工程套用在細胞內部的神秘世界時，可能會忽略細胞的獨特之處。電子工程的一些原則確實適用於活細胞，但生物學最有趣的地方恰恰在於它們的與眾不同之處。

Asimov Press：我最近和愛德華·博伊登（Ed Boyden）交談時，他有句話讓我深感共鳴：“在增強之前先理解。”我很好奇，你是否認為我們應該開發一些工具來更深入地理解細胞，從而讓它們變得不那麼神秘？在我們能夠可靠地對細胞進行程式設計之前，你覺得還有哪些關鍵問題需要解決？

Michael Elowitz: 這是一個很好的問題。我認為還有許多不同的方面需要探索。比如，我們在理解細胞如何調控基因方面已經有所進步，但我們甚至沒有能力理性程式設計一個基因，讓它在所有型別的細胞中表達。

Asimov Press：我們甚至沒有能力在實驗室中培養絕大多數型別的細胞。

Michael Elowitz: 真的是。我們也無法追蹤一個細胞中所有激酶的活動，或者類似的情況。因此，當你考慮到在一個細胞中所有不同層次的資訊和狀態，以及它的空間和時間上的組織結構，然後再將這些與我們當前能夠讀取和操控的能力進行比較，你會發現它實際上相當原始。

在系統層面，遞送是一個很大的挑戰。我們可以設計出在培養皿中完美執行的合成基因線路，但將這些基因匯入細胞仍然很困難。所以我認為這是一個非常重要的領域。另一個問題是免疫原性。例如，當我們開始考慮治療性線路時，我們如何用某一種方式設計這些元件以避免觸發免疫反應？

Asimov Press：看起來你的實驗室正在嘗試開發工具和技術來填補這些空白。但我們在生物學中的未知，是否會影響你們決定開發哪些工具？還是你們只是根據自己的創造性興趣來選擇方向？

Michael Elowitz: 都有。很多時候我們開發工具，是因為我們想象到了某些東西，並且真的希望它能夠成為現實。比如我實驗室的Felix Horns等人開發的RNA Exporter就是一個例子。這個工具的靈感源於這樣一個想法：每個人都在研究RNA，分析轉錄組及其隨時間的變化非常有價值，但這些工具都需要殺死細胞。而我們想要了解動態過程，探索如何跟蹤RNA的變化。因此，我們設計了一個系統，讓細胞將RNA打包到胞外囊泡中並分泌出來。透過測定這些從細胞中分泌的RNA序列，你就可以在不殺死細胞的情況下追蹤細胞的動態過程。

RNA Exporter還催生了另一個與遞送問題相關的應用。我們一直想找到更好的方法，將合成基因線路遞送到細胞中，從而將其用作治療手段。我們想知道什麼是實現這一目標的最佳遞送方式。我們認為將合成線路運送到細胞最好的遞送載體可能是另一種細胞本身。

然後我們開始思考：如果我們可以程式設計讓某種細胞定位到身體的特定部位，識別位於該部位的目標細胞，然後讓這種“遞送細胞”啟動並開始分泌RNA，那會怎麼樣？這些分泌的RNA可以只轉染目標細胞。

因此，RNA Exporter不僅為追蹤RNA分子隨時間的變化提供了一種手段，也可能成為一種遞送RNA的潛在新方法。

Asimov Press：這非常有意思。你的研究是從富有想象力的大問題開始，逐步探索，最終開發出實用但是極具創新性的技術。

Michael Elowitz: 是的。當然，我們也可以僅僅使用現有的工具，專注於透過它們來構建生物線路。但我覺得，每當你擴充套件合成生物學的工具箱時，這個過程總會帶領你發現一些有趣的新方向。當然，你不可能做所有的事情，所以你需要選擇專注於哪些工具。很多時候，我的興趣在於那些在機制或審美上很優雅的東西：精巧美學的解決方案將為我們開啟一種全新的生物學研究。

Asimov Press：最後一個問題：為什麼物理學家在歷史上往往能成為最重要的生物學家之一？

Michael Elowitz: 天真？自負？或者是一種對於自然可理解性的信念？我也不確定。有許多物理學家進入生物學領域的精彩例子。但我認為我們應該對此保持謹慎。各種背景的人都以不同的方式為生物學做出了貢獻。

Asimov Press：但這難道是一種巧合嗎？物理學家在分子生物學開端的重要影響，或者包括你在內的物理學家開創了合成生物學領域。

Michael Elowitz: 我覺得這也許和物理學的推理、思考和解決問題的方式有關。物理學家注重將問題簡化到本質，設想一個問題的最簡單案例，並以最簡單的方法去解決。同時，他們也非常重視定量分析。如果你想想最初的合成基因線路，它們正是這種思維的體現。它們完全是任何人都想象得到的最簡單但卻不凡的線路。

但在生物學中，我們不斷發現生物系統比我們想象的要複雜得多。生物學家發現了TGF-β訊號通路，然後又發現了所有這些調控因子，以及這些調控因子調控其他的調控因子。因此，生物學本質上是一個揭示和解構所有這些複雜性的無止境的過程。

而合成的方法——透過構建來理解——其實是在倡導科學家應該從最簡單的可能的線路出發，觀察其功能，並在此基礎上逐步構建。我認為這種風格對物理學家很有吸引力，對我而言也非常有吸引力。但這兩種方法——合成生物學和“真實”的生物學——是相輔相成的。我們不想要只存在其中一種方法的世界。

對於諸如“細胞內振盪器如何工作？”這樣的問題，需要從兩個方向同時入手。你需要有人繪製出天然振盪器的組成部分並弄清它們是如何相互作用的。但同時，也需要有人提出這樣的思考：“好的，但是為什麼我們需要這種複雜性？能夠產生這種行為的最小線路是什麼？這種最小線路對噪聲或溫度有多敏感？如何使其執行得更加穩健？細胞內是否存在振盪器之外的其他補償機制來增強其穩健性？”