烟草蚀纹病毒蛋白酶调控的人工变构酶的初步设计(2)
2.3.2 对原实验流程的高通量优化方案 16
2.4 相关数学模型的构建与特征分析 18
2.4.1 基于米氏方程构建数学模型 18
2.4.2 双酶系统的特征分析 19
2.4.3 基于特征分析对实验条件进行约束 20
3 讨论 22
致谢 24
参考文献 25
附录A 主要缩略语表 27
附录B 主要引物设计 28
附录C 相关载体构建 29
附录D 相关DNA序列 31合成生物学自兴起以来，便一直围绕如何能够高效、稳定、可预测地自下而上搭建人工生命系统展开研究与探索[1-2]。生命系统的关键在于调控，生命系统设计的核心问题便是如何获得正交、高效的优质调控元件，并通过设计其耦联关系使之组成具有特定热
力学与动力学属性的互作网络，行使预期的功能。目前，合成生物学在转录调控水平已
经具备了较为完备的编辑组装工具，理论设计水平也达到了很高的程度[3-8]。特别值得关注的是，C.A. Voigt 等基于 python 编译的 cello 程序，能够根据用户给定的输入-输出逻
辑自动计算适配的转录调控网络，实际检验结果有 92%的线路符合设计预期的布尔逻辑，
具备良好的信号保真性与鲁棒性，并且在逻辑门层数和元件个数等都达到了现有最高水
平；同时，娄春波等基于高通量流式细胞仪开发出新型的稳态法定量手段，能够获得更
加精确的数据，并且基于此方法获得的实验数据与 parameter-free model 基本吻合[9-10]
。以上进展说明人类已经基本具备了对转录调控进行精确定量与从头设计的能力。
尽管合成生物学在转录调控水平取得了诸多的突破，但在其他调控层次上，如转录
后调控、翻译起始调控以及翻译后水平调控等层次上的设计与改造能力还存在着极大的
提升空间。特别的，在蛋白质层次进行翻译后水平调控的设计能力需要我们给予更多的
关注。翻译后水平调控多数是对于酶状态的调控，属于间接调控的范畴。间接调控有两
个重要优势：一是不需要通过过量表达来获得需要的总酶活，从很大程度上避免了对细
胞资源的占用，也避免了蛋白的过量表达可能造成的细胞毒性；二是间接调控的信号转
换速度远快于直接调控，越过了转录，翻译等慢过程，通过快速的蛋白-蛋白相互作用、
小分子配体诱导响应等完成整个信号加工过程，在时间尺度上具有优势。因此，在翻译
后水平进行理性设计，构建系列元件模块，刻画模型参数的工作对于合成生物学的基本
元件开发，设计具有应用价值的生物装置，归纳普适性的设计原理以及从“建物致知”的
角度理解生命现象等，都具有及其重要的意义。
现阶段对于蛋白质变构调控的研究大致可分为以下几类： 1）基于融合蛋白的设计，
可以通过引入外源蛋白、改变原有构象而赋予新的功能活性，如通过引入配体诱导调控
的蛋白质互作结构域（如 PDZ domain，SH3 domain 等），扰动蛋白自身的构象，达到控
制其活性的目的（图 1A），又如在蛋白质非关键表面柔性结构引入配体诱导的变构结构，
控制原蛋白质的局部混杂度从而影响原有的活性（图 1B）[11-12]
；2）基于重排蛋白的设
计，将蛋白质首尾相接形成环式蛋白后再从其他位点开环，形成新的 N末端与C 末端，
称为蛋白质的环式重排（图1C），重排后的蛋白便可能具有不同程度的活性，如在 2014
年国际基因工程机械大赛（iGEM）中海德堡大学参赛队对于酶的环化设计显著提高了
蛋白质的热稳定性（http://2014.igem.org/Team:Heidelberg，图1D），也有相关研究基于部