最近，基因编辑技术获得了大量的关注，这得益于一系列的最新进展，使科学家们能够对动植物基因组做越来越多的事情。像CRISPR-Cas9这样的技术，正在为新型转基因作物（GMOs）、干细胞研究、合成生物学甚至人体胚胎实验打开大门。
然而，随着研究的爆炸式发展，也带来了激烈的审查。修改DNA，也就是一个生物体的蓝图，伴随着巨大的影响和未知的风险。就在上周，一次关于人类基因编辑的国际峰会在华盛顿特区召开，讨论未来基因编辑研究的伦理指南等议题。关于基因改造的最大担忧之一是，经过基因改造的微生物可能会逃离实验室，对 unprepared 的世界造成破坏。就像弗兰肯斯坦的怪物一样，人们担心这些生物可能会对人类有害，并且难以控制。幸运的是，科学家们一直在努力确保这种噩梦般的场景不会发生。
首要关注
为了让基因改造“乖乖就范”，研究人员开始开发“断路器”，或者说是内嵌在基因组中的机制，一旦细胞离开实验室就会终止其生命。大多数这些开关的工作原理是改变生物体的基因组，使其依赖于实验室提供的化合物才能生存。如果生物体离开了实验室，其赖以生存的供给就会被切断。直到现在，这种机制都需要研究人员完全修改生物体的基因组，这是一项昂贵且耗时的任务。然而，麻省理工学院的研究人员创造了一个名为“Passcode”的遗传回路，可以简单地插入生物体的DNA中。请原谅作者的比喻，但研究人员的新方法就像在这篇文章中插入一个新句子，而不是重写整篇文章。
“在我们的例子中，我们不需要进行大规模的修改。我们可以直接插入这些调控回路，它们可以作为安全开关和断路器，而无需改变背景基因组，”麻省理工学院生物工程学教授、该研究的合著者James J. Collins说，该研究周一发表在《自然化学生物学》杂志上。
研究人员在《自然化学生物学》杂志上发表的研究中，通过与大肠杆菌合作，并在此前由同一团队开发的另一个遗传回路的基础上，Passcode开关向生物体的DNA添加了几个基因。细胞中的一个基因产生毒素，第二个基因抑制毒素产生基因的功能。毒素抑制基因由研究人员选择的特定分子调控，该分子可以在实验室人工提供，也可以在环境中找到。没有这种特定的分子，抑制基因就会关闭，毒素就会杀死生物体。
更进一步
虽然这种机制与之前构建断路器的尝试类似，但研究人员通过要求不仅一种，而是三种分子输入才能维持细胞生存，从而推进了这一理念。
“在Passcode的情况下，你实际上有三种不同的分子，其中两种需要存在，而另一种则不一定需要存在，才能保持蛋白质处于正确的组合状态，并使细胞处于存活状态，”Collins说。
该团队用三种不同的分子作为输入重复了他们的实验，并在每次试验中都产生了类似的结果：在必要输入存在的情况下，细菌保持存活，但在输入被移除后会迅速死亡。通过将他们的回路分成两部分，一部分接收输入分子，另一部分与DNA结合，他们能够创造一种包含可互换部件的混合分子。
“这是在现有技术某些方面的基础上，进一步朝着更好的生物安全和生物遏制迈出的一步，”未参与该研究的伦敦帝国理工学院合成生物学家Guy-Bart Stan告诉《科学美国人》杂志。
可修改性和定制化的能力也扩展了Passcode回路的应用范围。
“它……让你能够更灵活地创建许多不同的调控方案，这些方案可以对相同的分子做出响应，但结合不同的DNA，或者有多个蛋白质可以结合同一DNA元素，但响应不同的分子，”Collins说。
让回路工作起来
Collins设想了他的团队的遗传回路有多种用途，包括用于转基因细菌，这些细菌可以帮助人类从内部对抗疾病。例如，转基因生物可以寻找有害细菌，然后产生化合物来对抗它们。
“我们可以设想一个很快的日子，你将服用合成益生菌，这些益生菌由工程化的微生物组成，它们将感知你身体的不同方面，报告相关信息，并可能根据需要产生分子来满足你的健康需求，”Collins说。
将断路器纳入这些微生物将是将其用于人类的关键一步。
“这些类型的开关现在提供了两方面的安全性。第一，如果患者对微生物有不良反应，我们的开关将能够非常快速有效地将其从患者体内清除，”Collins说。“第二，我们希望确保在微生物完成其工作并离开患者身体后，它本身就被编程为自毁，这样它就不会进入供水系统污染环境。”
目前，该团队的Passcode内含细菌的功能可以维持两到三天——任何更长时间，它们就会因突变而失效。未来，Collins希望在人体内外不同的环境中，对不同类型的细菌测试他的断路器。
无论是作为人类体内的分子监视器，还是为工业流程定制，新的、更精细的断路器都使我们在安全有效地修改基因组方面又迈进了一步。
