概述
合成生物学的一个长期目标是开发复杂的基因电路，作为一种“遗传软件”来编程细胞功能。
年6月，解明歧与MartinFussenegger在NatureReviewsMolecularCellBiology上发表综述Designingcellfunction:assemblyofsyntheticgenecircuitsforcellbiologyapplications，主要阐述了合成生物学在人类细胞中的应用方法。在文献的第二部分:设计原型基因线路的原理（Principlesofprototypegenecircuit）中，作者列举了以记忆元件、布尔计算器、合成振荡器和细胞间通信四种功能为导向设计的多种原型电路，并简要介绍了它们。
01
记忆元件
图Aa记忆装置:使细胞即使在去除触发信号后也能记住触发诱导的细胞状态
记忆元件往往基于蛋白质的化学稳定性。以可计量的记忆为形式，细胞进化了一系列记忆过往“经历”的机制。记忆元件的功能分类包括短暂性、可重置、不可逆、可传代的记忆元件。
图Ab记忆元件以化学稳定性为基础，记忆可以以由信号驱动的蛋白质表达被读取
短暂性记忆元件：蛋白质化学稳定性
TetR:对启动子PA高亲和性的结构域
ScbR:对启动子PB低亲和性的结构域
VP16:转录激活因子
如图构建ScbR-TetR-VP16融合蛋白。
在无四环素（外源信号）时，TetR与PA高亲和性结合，VP16作用转录默认蛋白。当四环素水平逐渐增高，TetR的作用逐渐被四环素直接抑制，同时，低亲和PB的ScbR获得竞争优势，与PB结合，VP16作用转录记忆蛋白。这个过程是在融合蛋白表达量一定的情况下，由外源信号控制两种下游蛋白RNA的转录量由0%到%或由%至0%的竞争过程。
图Ac双稳态开关
可重置的记忆元件：双稳态开关
该系统需要两个对自身产生正反馈作用同时相互抑制的基因开关A与B。当接收到信号A或B时，系统在A表达的状态和B表达的状态间切换并维持。
图Ad利用重组酶和核酸酶对DNA序列进行修饰，可用于在非编码基因组区域创建合成条形码
不可逆的记忆元件：对基因序列的改变
可以将非编码序列整合至目标基因组位点上，生成可连续捕获细胞历史性活动的内部条形码区域（图Ad右）。由多组被合成的可诱导的基因开关所控制的正交重组酶创建的条形码区域，可将细胞“记忆”视为单个“信息字节”的组合。将n对正交重组酶靶点合并到一个DNA链上，可创建一个存储容量为n位的数据寄存器，能够区分与每个触发诱导重组酶活性同步的2^n个细胞事件。
当然，使用Cas9技术持续对同一位点进行编辑，也会使得DNA发生非同源重组，而这大概率会带来突变。
02
细胞布尔逻辑计算器
图B细胞布尔逻辑计算器：细胞可通过编程计算各种输入并使用逻辑门区域的组合来定义输出。
将布尔计算器应用于生物计算当中，可使任何生物计算的算法都可以通过将不同的基因开关与相互连接的调节级联反应进行叠加来创建。
图左下方为半加法器的真值表，使用与门和异或门的叠加计算信号A、B的二进制加法。
右下方为半减法器的真值表，使用与门和与非门的叠加计算信号A、B的二进制减法。
03
合成振荡子
图C合成振荡子网络
图Ca基于三负反馈环结构的振荡子
图Cb双反馈振荡子：包括一个激活器模块(正反馈)和一个作用较慢的阻遏器模块(负反馈)
图Cc用反义技术编码振荡子
原初振荡子的基本结构为三负反馈环结构（图Ca）。在此基础上，又有两种振荡子被设计出以适应更广泛的应用场景。
双反馈振荡子（图Cb）：
这是使用费氏弧菌群体感应机制构建的一个稳态系统。激活子与抑制子都会促进自身表达。当激活子增加时，也增加抑制子的表达，减少靶蛋白表达。但由于中心法则的存在，后者会有一定的延迟，从而出现了振荡现象。
提供了兼具自主性、持续性、易调控三种优点的基因振荡。
基于RNAi的振荡子（图Cc）：
使用两个方向相反的合成启动子控制反式激活子tTA的有义、反义表达。tTA会促进自身、PIT和目的蛋白表达；而作用于相反合成启动子的反式激活因子PIT会抑制自身、tTA和目的蛋白表达。二者相互作用产生振荡现象。
04
细胞间通讯
图Da模拟-数字转换器(adc)：通过放大延迟基因对表达，将剂量依赖的输入信号转换为“全或无”信号
模数转换器
模数转换器（Analogue-to-digitalconverter/ADC）是将时间连续、幅值也连续的模拟信号转换为时间离散、幅值也离散的数字信号的转换器。把输入的模拟信号按规定的时间间隔采样，并与一系列标准的数字信号相比较，数字信号逐次收敛，直至两种信号相等为止，显示出代表此信号的二进制数。
在图Da所示例子中，转录促进因子外源信号剂量相关的结合启动子前序列，产生“全有”或“全无”的信号
图Db合成带通滤波器：只允许靶基因在触发信号的中间水平表达
带通滤波器（Band-passfilter）
带通滤波器（Band-passfilter）指能提高某一频率范围内的频率分量，但将其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。
在图Db所示系统中，存在对外源信号高敏感、对目标蛋白低亲和的激活子和对外源信号低敏感，对目标蛋白高亲和的抑制子。当外源信号水平较低时，激活子有活性，抑制子无活性，蛋白表达被激活（图Db左侧）；外源信号水平较高时，抑制子被激活，立即抑制蛋白表达（图Db右侧）。故随信号水平增加，目的基因的表达水平先增后降（图Db中间）。
参考文献：
Xie,M.,Fussenegger,M.Designingcellfunction:assemblyofsyntheticgenecircuitsforcellbiologyapplications.NatRevMolCellBiol19,–().
