研究人员创造了合成基因，这些基因模拟了活细胞中基因的功能。这些人工基因可以通过逐步的过程构建细胞内结构，逐渐组装自形成的结构。这一突破性发现可能导致从简单、可编程的构建块（如由DNA瓦片制作的纳米级管）开发复杂的生物分子材料。此外，这些相同的组件可以被引导拆解，允许创造不同的材料。
来自加州大学洛杉矶分校（UCLA）萨缪尔工程学院和意大利罗马托尔维加塔大学的研究团队创造了像活细胞内天然基因一样运作的合成基因。
这些合成基因可以通过级联过程创建细胞内结构，逐渐组装自形成的建筑。此方法类似于从模块化部件构建家具，类似于在宜家出售的物品。利用相同的组件，可以创造出各种设计，并轻松拆卸以重新构建新形式。这一发现为利用多功能构建块铺平了道路，这些构建块可以被编程以生产复杂的生物分子材料，包括由DNA瓦片形成的纳米级管。这些组件还可以被编程拆解，从而允许不同的材料配置。
该研究最近发表在《自然通讯》上，由加州大学洛杉矶分校的机械与航空工程以及生物工程教授Elisa Franco领导。Franco的动态核酸系统实验室的博士后研究员Daniela Sorrentino是该研究的主要作者。
“我们的发现表明，通过利用自组装所需分子指令的时间，可以增加生物分子材料的复杂性，从而减少使用携带此类指令的更多分子的需求，”Franco解释道。“这揭示了一个令人兴奋的机会，可以通过简单调整组装指令的时间，从同一有限的部件集合中自动‘演化’出多种材料。”
复杂生物体从一个细胞开始，通过一系列的分裂和分化事件形成。这些过程涉及许多生物分子，由基因级联协调，指示何时何地激活特定基因。当检测到细胞信号时，它引发一系列以预定顺序组装的基因，导致特定的生物反应。在生物学中的一个重要例子是控制果蝇身体段发展的基因级联。在这种情况下，基因的精确定时促进了特定身体段的出现。
“我们旨在实验室中复制类似的基因级联，能够根据基因激活的时间触发合成材料的形成或拆解，”共同作者、罗马托尔维加塔大学化学科学教授Francesco Ricci表示。
在这项研究中，团队利用由几条合成DNA链构成的DNA瓦片。他们创造了一个包含数百万个这些瓦片的溶液，这些瓦片相互作用以产生微米级的管状结构。这些结构的形成取决于一种特定RNA分子的存在，该分子启动该过程。另一种RNA触发器也可以刺激相同结构的拆解。
之后，他们编程了各种合成基因，以在精确的时间间隔内产生RNA触发器，从而允许DNA结构的形成和分解的准确时序。
通过连接这些基因，他们建立了一个合成遗传级联，类似于果蝇的那种，不仅能够控制特定类型的DNA结构何时形成或拆解，还能够控制其特定的组成属性在指定时间的变化。
“我们的方法并不局限于DNA结构；它可以应用于依赖生化信号时间的各种材料和系统，”Sorrentino指出。“通过协调这些信号，我们可以给相同的组件分配多个功能，导致材料可以从相同的构建块自主演变。这在合成生物学中展现了令人兴奋的前景，并为医学和生物技术创新应用铺平了道路。”
该研究得到了美国能源部科学办公室、美国国家科学基金会、欧洲研究委员会、意大利癌症研究协会、意大利大学与研究部以及根据欧盟NextGenerationEU刺激计划资助的意大利国家恢复与复原计划的支持。Sorrentino持有由意大利癌症研究协会支持的奖学金。
此外，来自罗马托尔维加塔大学的研究员Simona Ranallo也作为该研究的共同作者贡献了力量。
