我们知道月亮有圆有缺，太阳东升西落，日复一日，这些循环现象，自古便引起人们的好奇，人们赋予了各种美丽的传说来解释，直到牛顿万有引力定律才真正从科学原理上揭示这些神奇现象背后的规律。

事实上，伴随着这些自然的周而复始，在生物中也有很多的震荡循环现象，比如细胞周期的存在。

                             细胞周期

合成生物学则是通过重构的手段，从原理层面，解析自然现象，设计更加复杂的功能，比如享誉世界的Wendell Lim 则是利用自然界中现有的Notch信号进行改造，从而将目前火热的Car-T技术增加了新的开关。

2000年，被称为合成生物学元件，科学家们通过设计最简单的基因线路，实现了震荡现象，被称为合成生物学元年。

                        合成生物学时代图

                                  震荡现象

虽然震荡现象在合成生物学中家喻户晓，然而背后的很多规律仍待解析。比如，震荡的强度？震荡的周期？什么样的结构什么样的参数会导致什么样的结果？

来自北京大学定量生物学中心的魏平教授带领团队在Cell Systems发表题为“Design of Tunable Oscillatory Dynamicsin a Synthetic NF-kB Signaling Circuit ”的文章，在酵母中使用重构的方法，通过数学模型计算与实验验证，奠定了震荡背后的生物物理基础。

                                 魏平教授：

NF-kB 信号通路在免疫调控中可谓大名鼎鼎。目前发现NF-kB在细胞中可以以震荡的方式响应信号。

如上图，NF-kB可以通过转录激活一个负调控的IkB从而产生延迟，进而产生震荡。

然而这样的信号机制在各个环节都受到调控，比如IkB的降解、NFkB的释放等。如果在原有的哺乳动物细胞这一震荡背后的潜在机制，则很有可能非常复杂。

魏平老师带领团队想到了一个非常有效而直接的方法，他们通过在酵母中重构这一信号通路，以NFkB作为研究对象，研究震荡背后的基本规律，从而精细调控震荡。

研究亮点：

在酵母中重构人NFkB系统

为了能够在酵母中重构NFkB系统，魏平等人将各个环节整合进入酵母细胞中。开发了一系列调控工具。模拟人细胞中的反应。

比如为了调控IkB蛋白，使用了degron 系统，从而可以感知来自alpha因子的磷酸化信号，进而进入泛素化降解途径。

同时含有4*NFkB结合位点的特异性启动子，可以有效感知信号的表达。

有了这样一个系统，魏平等人则可以在酵母中调节各种参数，从而摸索震荡背后的美丽规律。

2.单细胞水平描述震荡现象

科学家们界定了震荡过程中的不同定义，比如震荡的幅度，静息时间等。然后在在单细胞水平研究了相应的过程。

3.精细调节每个环节-摸索背后自然规律

为了精细摸索背后的潜在规律，科学家们通过用突变的方式、药物诱导的方式，以及启动子改造的方式，分别调节各个环节的强度，从而发现对于震荡现象本身所引发的模式的改变：

通过实验得到了一系列有趣的实验结果：

在震荡的峰的宽度等均实现了改变。

不仅是实验探索，他们还进行了数学模型分析：

通过理论计算，得到了非常一致的结论。

不难想象，以后也许我们利用人们发现的规律，比如利用万有引力从而攀登月球，而利用魏老师的震荡学说则可以指导科学家们对细胞周期等进行更加精细调控。

4.更加复杂的震荡结构

事实上，在人的NfkB系统中，为了更加精心的调节各个环节，除了刚才描绘的线路拓扑结构外，还有多种调节手段，比如多层负反馈反应参与调节。

5.人为定制想要的震荡信号

不仅仅是描绘自然现象背后的规律，合成生物学最伟大之处，便是根据自然规律指导设计工作，通过上面描绘的各个工作基础，科学家们向人为定制信号迈进！

结束语：

近些年，我国合成生物学领域涌现出多项重量级的工作，来自北京大学魏平课题组解析震荡基因线路的工作，完全可以称得上基因线路领域中的里程碑式模范工作，期待魏老师，期待中国合成生物学有更加广阔而美好的未来！

该文第一作者张志博，恭喜张博士，恭喜魏老师！

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