由伦敦帝国理工学院(Imperial College London)专家领导的研究人员开发了一种新方法，通过提供和移除电子，可以精确地改变基因表达。

这可能有助于控制体内的生物医学植入物或大型“生物反应器”的反应，这些反应器可以生产药物和其他有用的化合物。用于引发这种反应的电流刺激通常无法穿透材料或造成毒性风险——电持有解决方案。

基因表达是基因被“激活”并在细胞中产生新分子和其他下游效应的过程。在生物体中，它是由DNA中被称为启动子的区域控制的。一些启动子，称为诱导启动子，可以响应不同的刺激，如光，化学物质和温度。

利用电流来控制基因表达开辟了一个新的研究领域，虽然这种电发生系统之前已经被确认，但它们在电子信号存在或不存在时缺乏精确性，限制了它们的应用。新提出的系统，带有工程启动子，允许在细菌中使用电刺激第一次获得这样的准确性。

这项研究发表在今天的《Science Advances》杂志上。

合著者Joshua Lawrence说:“合成生物学的一个主要问题是很难像我们控制人工系统那样控制生物系统。如果我们想让一个细胞在特定的时间产生一种特定的化学物质，我们不能只是改变电脑上的设置——我们必须添加一种化学物质或改变光照条件。

“作为这个项目的一部分，我们创造的工具将使研究人员能够用电信号来控制细胞的基因表达和行为，而不会损失任何性能。

“我们希望通过进一步开发这些工具，我们真的能够通过轻按开关来控制生物系统。”

在这项研究中，psoxS启动子被重新设计，以对电子传递提供的电刺激做出更强的反应。新设计的psoxS启动子不仅能激活基因表达，还能抑制基因表达。

到目前为止，在氧气存在的情况下，电刺激的基因表达很难进行，限制了它在现实生活中的应用。这种新方法在氧气存在的情况下是可行的，这意味着它可以在不同种类的细菌中复制，并用于医疗植入和生物工业过程等应用。通过电极电位的变化，电化学工具可以通过调整到特定的水平来完成不同的任务。

生物医学植入通常使用一种刺激在体内产生某种药物或激素。不是所有的刺激都是合适的;光线无法穿透人体，化学物质摄入会导致中毒。电刺激可以通过电极进行，直接而安全的传递。

对于生产化学品、药物或燃料的大型生物反应器(有时有建筑物那么大)来说，大量的培养物很难用光穿透，用化学诱导剂喂养也很昂贵，因此电子的输送提供了一个解决方案。

在他们的概念证明研究中，研究人员从水母中提取了“发光”蛋白质，并使用新的启动子和电子来诱导其在细菌中的表达，使细胞只在系统“打开”时发光。在系统的另一种配置中，研究人员创造了一种细菌，它在系统“关闭”时发光，在系统“打开”时停止发光。

伦敦帝国理工学院讲师、RLAlab研究小组负责人Rodrigo Ledesma-Amaro博士说:“这个项目最初是在一次合成生物学学生竞赛中萌生的蓝天的想法。

“多亏了强大的献身精神、多年的工作和团队的巨大努力，最初的想法变成了现实，现在我们有各种新技术来利用电力来控制电池的命运。”

该团队目前正计划开发不同的启动子来诱导不同的下游因子，这样同时发出的电信号就可以表达不同的基因，彼此独立。建立一个更大的启动子和下游因子库意味着目前的系统可以适用于酵母、植物和动物。

Joshua M. Lawrence, Yutong Yin, paolo Bombelli, Alberto Scarampi, Marko Storch, Laura T. Wey, Alicia Climent-Catala, Geoff S. Baldwin, Danny O’Hare, Christopher J. Howe, Jenny Z. Zhang, Thomas E. Ouldridge, Rodrigo Ledesma-Amaro. Synthetic biology and bioelectrochemical tools for electrogenetic system engineering. Science Advances, 2022; 8 (18)