生物设计基础
第2章 生物设计基础
在本章中，我们探讨了生物设计的过程：设计具有可预测行为的生物系统。我们将考虑一个类比来说明抽象在设计中的用处。然后，我们将通过设计抽象来指定用于检测水中砷的系统。在此过程中，会有提示，以便您可以将这些插图和示例应用到您选择的生活技术的设计中。
说明自上而下的设计方法
生物设计对你来说可能是新的，所以我们将从一个更熟悉的场景开始。
想象一下，你想去度假。首先你需要决定什么类型的假期。您想要热带度假、背包旅行、城市探险吗？要做出决定，您可以考虑每个选项的好处。例如，热带度假可能会让人放松，但也很昂贵。现在，假设您对自然比对城市更感兴趣，因此您决定背包旅行是最佳选择。
决定了背包旅行的“大图”之后，接下来您需要开始计划您的旅行，从更多“大”问题开始：您想在山上还是沙漠中徒步旅行？你想去两晚还是五周？对于此示例，假设您决定进行为期三天的山区旅行。但现在您必须决定要参观哪些山脉。你会选择徒步阿巴拉契亚小径还是优胜美地？如果您住在西海岸并且只有三天的假期，那么优胜美地似乎是更好的选择。在您计划或设计您的旅行时考虑这些大局问题似乎很自然。
决定去优胜美地进行为期三天的旅行后，您需要做出更多决定。优胜美地是一个很大的地方。你想留在山谷还是去高地？假设您知道自己想要令人难以置信的美景，并且不介意陡峭的攀登或拥挤的人群，因此您决定爬上半穹顶，这是俯瞰山谷的标志性山峰。
做出此选择后，您接下来需要更具体并决定如何前往半穹顶。许多不同的小径可以带您到达那里。要计划您将采取的路线，您可能会坐下来查看详细的路线图，以决定您想要徒步旅行的英里数、您想要的海拔变化以及您想要留在水边的距离。这些细节将影响您攀登半穹顶的方式以及您将走多远。
最后，考虑到选择的路线和攀登的细节，您需要列出您需要的设备。其中一些设备可能是标准的，例如登山靴和防晒霜，但也可能有一些特殊物品，例如您需要用于 Half Dome 电缆的橡胶手套。如果您没有这些手套，或者您无法获得某些设备，您可能需要相应地调整攀登的细节。做出所有这些决定后，剩下要做的就是出去享受假期。
从规划假期到生物设计
现在让我们看看这个假期计划过程是如何工作的，以便我们可以看到它与生物设计过程有何相似之处。第一步是确定您想要解决的挑战：您需要一个假期！接下来，您集思广益地提出了几种可能的方法：热带度假、城市探险或背包旅行。这些方法都不是“正确”或“错误”，但您考虑了它们的相对优势和劣势来解决您当前的问题，并决定背包旅行是最好的方法。
然后，您开始计划旅行的细节，使用以下抽象级别来实现您的最终计划（另请参见图 2-1）：
- 你从大局开始——我们称之为生物设计系统——并决定你想去优胜美地进行为期三天的旅行。
- 下一个级别，大致与我们所说的设备相关，是决定您要攀登半穹顶。
- 您旅行的下一个计划步骤是选择您将要使用的特定路径，基本上定义了您的半圆顶“设备”的机制。这些轨迹对应于我们在生物设计中所说的部分。
- 最后，设备清单描述了您需要购买或制作的实体物品来实现您的旅行。在我们的生物设计类比中，这些部件可以被认为是设计的 DNA：它们是您需要收集和组合以构建系统的实际物理部件。
抽象是生物设计的一个重要方面。它使您可以思考和传达您的计划，而不会一下子陷入细节中。一些对生物设计有用的抽象级别包括系统、设备、部件和 DNA。无论您是否意识到，您在计划假期时都经历了非常相似的抽象级别。
图 2-1 表示不同抽象级别的符号。抽象层次结构顶部蓝色圆圈中的思想气泡代表主题区域的选择。蓝色圆圈中的卡通细胞或病毒代表生物抽象的系统级别。蓝色圆圈中的设备图标是布尔非门，借用了电气工程的设备符号。蓝色部分图标使用功能性 DNA 元件的符号，即启动子和开放阅读框，蓝色的 DNA 图标显示编码遗传部分的四种核酸。它们在文本中背包类比的相似之处显示在右侧。
此设计过程有一些关键特性值得关注。首先，一路上没有任何答案是“对”或“错”。每个决定都是为了最好地满足您的需求。其次，您没有一次指定所有内容。例如，您没有立即决定如何攀登半穹顶；您刚刚提供了一个通用规范，这就是您想要做的。这有助于使旅行的计划部分易于管理。想象一下，如果在这个设计过程的一开始，您试图跳到部件级设计，并决定在世界任何地方进行远足旅行要遵循的路径，如图 2-2 所示。即使您将自己限制在三天的背包旅行中，您基本上也会在地球上的每条远足径之间进行选择，这显然是不切实际的。你会被各种可能性压得喘不过气来，你的旅行可能永远不会发生。通过使用不同的抽象级别，设计路径上的每个决策都变得易于管理。抽象是在设计过程中轻松处理不太详细的描述的强大方法，因为您知道您可以在需要时指定必要的详细级别。最后，您以可以修改的方式设计了您的旅行。如果您突然发现自己有 10 天而不只有 3 天，您可以保留您的 Half-Dome 计划，但添加另一个“设备级”计划；例如，您可以攀登 El Capitan，这是公园内其他著名的山峰之一。
图 2-2 从抽象层次结构的中间开始。以城市为背景的优胜美地地图显示，在缩小搜索范围以排除城市之前寻找远足小径是徒劳的。
在我们从计划假期转向计划生物技术之前，还有一个类似的特征需要指出。在您决定远足路线后，您可以创建自己的地图以更好地可视化您的计划或与其他背包客分享。在生物设计中，这张地图可以被认为类似于遗传系统的接线图，这是合成生物学采用的一种电气工程形式，用于传达每个系统的一些设计元素。我们将在本章后面讨论接线图的绘制和解释。
从设计到实施
成功的设计最终将被实施，尽管本章重点关注合成生物学的设计部分，但值得简要扩展我们的背包旅行类比，以展示它如何应用于实施阶段。
在计划背包旅行时，您从非常广泛的规范开始，然后向下钻取，直到达到最精细的抽象级别：设备列表。请注意，这只是一个列表，而不是实际项目本身。从列表中的项目到实际有形对象的过渡代表了从设计过程的最后一步到实现的第一步的过渡。为了实现您的设计（即您的旅行），您将开始从这个细粒度级别进行备份，直到您可以出发并享受您计划的假期。这将涉及积累设备清单上的物品，可能是通过在当地的户外装备商店购买它们或在地下室的垃圾箱中挖掘。然后，当您准备好所有装备后，您将收拾行囊，前往登山口，开始您的旅程。
对于合成生物学设计，DNA 片段是实现设计所需的“设备”。这些是编码设计系统的基因、启动子、终止子和其他遗传成分的 DNA 物理片段。要实施该设计，您需要获得这些基因碎片，就像您需要为徒步旅行积累装备一样。您可以通过多种方式获取 DNA 片段。这些方法包括聚合酶链式反应 (PCR) 和从头合成，这些方法在 DNA 工程基础章节中进行了详细探讨。您可能已经在实验室中获得了一些可用的 DNA 部分。当您拥有所需的所有物理 DNA 片段时，您就可以将它们缝合在一起并开始构建您设计的系统。
生物设计过程概述
没有单一的、正确的方法来设计生物技术。根据您的系统规格和您已经拥有的规格，您可以通过多种方式开始。如果您从头开始，我们在这里列出了一些有助于生物设计过程的步骤。我们发现这是一个有用的框架，并且易于根据与项目相关的专业知识、时间框架和目标进行修改。这个设计过程指定了我们抽象层次的不同层次的细节，从系统级设计到设备、部件，最后是 DNA。简而言之，这里是使用的生物设计步骤：
- 第 1 步：确定您想要解决的挑战领域
- 第 2 步：集思广益解决挑战的方法
- 第 3 步：确定方法
- 第 4 步：在抽象层次结构的每个级别指定您的系统
确定领域和挑战
你首先选择一个让你感兴趣和兴奋的问题。表 2-1 提供了一些可能的起点。此表分为两类：领域和挑战。领域非常广泛，指的是整个问题或学科，而挑战是指该领域中可能需要解决的特定元素；该表仅提供了合成生物学可以解决的许多可能领域和挑战的几个例子。
表 2-1 通过生物设计解决的一些主题领域和相关挑战
领域：食物或能源
挑战：人们需要吃饭。飞机、火车和汽车也需要吃饭。人类面临的一项重大挑战是，面对不断增长的人口和对廉价燃料的日益依赖，如何满足每个人的需求。当前的食品和燃料生产方法因其对环境和全球粮食安全的负面影响而面临严厉批评。我们如何利用合成生物学以可持续的方式为世界生产食物或能源？
领域：环境
挑战：从爱情运河到太平洋大垃圾带，人类在保护地球方面没有很好的记录。但是，为子孙后代找到一种保持清洁空气、水和土地的方法是我们作为一个物种生存的关键。我们如何使用合成生物学来帮助清洁我们的星球并保护其自然生物多样性？或者，如果地球是一个失败的原因，我们如何使用合成生物学来改造另一颗行星或小行星？
领域：健康或药物
挑战：人们早就知道微生物会导致疾病，但最近人们发现它们也可以成为健康的基础。我们如何设计微生物或其他生物来帮助检测和治疗疾病？是否有用于管理慢性疾病或外科手术甚至保持身体健康的合成生物学应用？
领域：制造
挑战：细胞中充满了微小而复杂的纳米级机器，例如核糖体，它是生产蛋白质的装配线和工厂车间。这些蛋白质具有多种功能，从进行化学反应到充当皮肤和头发等组织的结构材料。我们如何利用细胞内在的制造技能来生产新的化合物、材料或结构？
领域：新的应用领域
挑战：世界上如此多的挑战可以从生物工程师的角度受益。考虑一下您在新闻中听到的问题或您在自己的生活中遇到的问题。我们可以想象合成生物学有哪些全新的应用领域？全球或本地思考，只要确保你跳出框框思考。
领域：基础进步
挑战：合成生物学站在技术进步的肩膀上，其历史可以追溯到 35 年前随着重组 DNA 技术的发明。为了确保该领域继续发展，它需要开发新的、改进的工具和技术，以帮助简化工程生物学的整个过程。哪些基础技术将在未来几年推动合成生物学的发展？
为了缩小范围，选择一个重点关注的领域会很有用；任何领域都面临着多重挑战，表 2-1 仅提供了一小部分可能性。在决定要解决的挑战时，准确描述问题很重要。但在这一点上，你不应该包含任何关于你计划如何解决它的具体想法。例如，像“找到一种方法去消灭只感染了疟疾的蚊子”之类的东西会让你走上一条比更模糊的“治愈疟疾”更好的道路，但请注意，这两个描述都没有说明如何实施这个想法。
如果在这个阶段，你发现你有一长串想要解决的挑战，你可以应用下面的一些问题。这些问题可以在一定程度上帮助缩小关注范围，让您考虑您拥有的更具影响力和可实施性的想法，同时搁置一些具有更好替代解决方案或合成生物学无法轻易解决的可能性：
我如何准确地描述我所关注的挑战和机遇？
明确界定您所看到的问题以及您认为可以解决该问题的原因，这将有助于以后的设计决策。
如果我的项目完全成功，它会产生多大的影响？会引发什么担忧？
想象成功将帮助您决定一个项目是否值得做。一个对巨大挑战产生微小影响的想法是有效的，就像一个完全解决我们面临的更小问题的项目一样。而且，您可以决定哪个对您更有吸引力。但是，出于道德或实际原因永远不会采用的设计应该被认为不那么吸引人。生物设计中的伦理考虑在生物伦理学基础章节中得到了更广泛的考虑。
我可以使用或其他人使用过的哪些其他技术来解决这个问题？
生物技术并不总是解决问题的正确方法。如果有其他更便宜、可靠或简单的方法来解决你发现的现实问题，你的想法可能就不那么有吸引力了。
关于这个挑战以及我解决它的方法，我有什么不知道的？有什么不被知道或者不可能被知道？
科学为我们提供了很多关于某些事情的信息（例如，基因变化如何导致某些疾病状态），而很少告诉我们其他事情（生命如何在火星上生存）。当你开始深入研究细节时，几乎任何项目都会有一个陡峭的学习曲线，所以知道你能找到什么以及什么仍然是个谜可能会帮助你决定一个项目的想法。
所有这些问题都很重要。您的想法列表可能会为某些问题提供非常好的答案，但对其他问题的答案却很弱。一般来说，您对这些问题的回答越准确，您在采取下一个设计步骤时就会越好。
想象一下，您选择解决砷污染水带来的挑战，这是孟加拉国和西孟加拉邦的一个问题。因为没有简单的方法来确定水是否被污染，所以住在那里的人们一直在喝被砷污染的水并生病。事实上，一个学生团队在名为国际基因工程机器 (iGEM) 的合成生物学设计竞赛中解决了这一挑战。接下来，我们将介绍该团队的项目，以提供生物设计在行动中的具体说明。
iGEM 团队想要设计一种简单的方法来确定水是否被砷污染。它决定设计一个细胞，以便在存在砷时产生某种易于检测的信号。这种通俗易懂的系统描述，“当有砷存在时，可以产生人类可检测信号的某种细胞”，是设计过程中此时适合的系统级描述的一个很好的例子。它是精确的，但不是过于机械化。随着项目想法变得更加细化，它将被进一步指定，但在这里保持这种高抽象水平是有帮助的。
您还可以看到运用之前的问题列表将如何帮助 iGEM 团队确认其选择了合适的主题。问题很明确：否则饮用水中无法检测到的砷会对健康造成严重影响。该团队还精确定义了该方法，该方法相对简单：构建一个在砷存在的情况下产生人类可检测信号的系统。如果它成功构建了一个易于使用的砷检测系统，它可以显着改善孟加拉国和西孟加拉邦人们的健康，特别是考虑到应对这一挑战的其他技术解决方案价格昂贵，从而限制了这些解决方案在潜在污染地区的广泛分布。
头脑风暴解决方案
在确定了要解决的问题之后，就该开始考虑解决问题的不同方法了。在这个阶段，棘手的是你还不想陷入细节的泥潭。我们仍在谈论可以为稍后出现的更详细设计提供框架的大局构想。任何问题都有许多可能的解决方案。最终，有些人可能最终会比其他人更好，稍后您将在决定追求的方法时探索这些优势和劣势。不过，在这一点上，您真的可以尽情发挥想象力。
对于我们的砷检测系统，一些可能的解决方案可能是：
- 接触砷时产生气味的细胞
- 细胞在接触砷时会迅速开始生长和分裂
- 细胞暴露于砷时会呈现出明显的颜色
- 你的想法在这里！
如果您发现此时无法提出想法，则可能是您过于关注如何实施它们的细节，这可能会阻碍您的创意。请注意，这些想法都没有表明细胞将如何检测砷，甚至我们正在谈论的是哪种细胞。请记住，我们在这里考虑的是大局，而不是细节！
决定一种方法
现在是时候从您在上一步中列出的想法中选择一个（或两个）并开始指定设计了。在这一点上，我们只是缩小选择范围，最终找到一种能够满足您定义的挑战的单一方法，但请记住，我们还没有锁定任何方法。设计是一个迭代的过程。当您考虑您的设计并构建一些原型时，您几乎肯定会遇到障碍。在某些情况下，您可以克服这些障碍，但在其他情况下，返回设计过程的早期阶段并完全重新考虑您的方法可能是最有效的。这不是失败；这是设计和工程工作方式的一个乐观特征。那里有一个很好的解决方案，你可以继续寻找它，并且，当你这样做时，你将从这个过程中学到一些东西。在权衡想法时，您可以返回第 24 页“确定领域和挑战”中的问题来指导您的思考。诸如“您如何准确地定义挑战？”之类的问题。以及“你的项目能带来多大的改变？”将阐明您工作的意图和规范。
当您确定了一个项目构想时，例如 iGEM 团队的砷检测项目构想，是时候做出一些选择了。 iGEM 团队需要满足特定的设计规范。他们希望确保他们的细胞产生的任何信号都可以被任何进行测试的人轻松检测到，并且他们还希望确保响应相对较快，因此收集水的人不必等待很长时间才能知道是否可以使用该水源的水。要在将水变成特定颜色、产生气味或以不同速度增长的砷检测器之间进行选择，团队可以考虑以下因素：
- 基于现有生物部分和方法的知识实施其系统的预期可行性
- 该方法的灵活性，因为可推广的系统可以在以后用于其他应用程序
- 设计的预期成功，简单的设计通常有更大的成功机会
在权衡这三种方法时，有些事情变得清晰起来。在砷存在的情况下产生的气味可能不是一个足够可检测的指标，并且可能存在许多其他相互竞争的环境气味。增长率的变化可能太慢而无法检测到，也可能是由砷以外的许多其他因素引起的。因此，在三个项目创意中，砷引起的颜色变化似乎最具吸引力。
值得注意的是，此时仍未具体说明设计的细节。仍然没有决定生产什么颜色或如何感知砷。相反，只选择了大方向。实施该方法的一些细节已经到位，但我们仍然没有陷入细节——接下来！
使用设备、部件和 DNA 指定您的系统
随着高级系统设计到位，是时候开始指定它将如何工作，深入研究实施细节。然而，与其直接跳到它的遗传学上，我们将逐步了解不同的抽象层。
在上一步中，您制作了一个广泛的描述来概述系统应如何响应不同的刺激和环境条件。要构建这样一个系统，您需要深入到 DNA 水平并决定基盘，这是用于描述运行您的基因程序的有机体的术语。为了帮助制定系统规范，有两个中间抽象层：设备和部件，如图 2-3 所示。
由一个或多个部件组成的设备将一些我们可以指定的“输入”转换为我们可以检测到的“输出”，或者可以输入另一个设备。例如，对于砷检测示例，iGEM 团队知道它需要某种方法来检测砷并产生颜色作为响应。该团队本可以使用一种设备来实现其系统，即一种可以感知砷并产生颜色的设备。或者（事实上，他们选择做什么），该系统可以用两个设备实现：一个用于检测砷，另一个用于颜色生成。砷传感装置的输入是砷，其输出是颜色生成装置可以检测到的信号。颜色生成设备的输出是一种颜色。这些非常广泛的规范足以定义实现砷检测系统所需的设备，我们将这些设备中的每一个如何单独工作以及它们如何相互通信的细节留在下一个抽象级别中考虑。
图 2-3 生物设计的扩展抽象层次结构。抽象可以支持复杂的系统设计。这种抽象层次包括“主题领域”作为顶层，强调需要选择一个广泛的挑战来关注。抽象还包括整个系统，其中包括对您的设计理念的简单语言描述。然后，该系统可以分解为特定的设备，这些设备由 DNA 构建的某些部件组成。
在某些情况下，设备可能会执行类似于计算机科学和电气工程中常用的逻辑功能。我们稍后会更详细地描述布尔逻辑函数，但简单来说，示例包括一个 AND 门，它仅在所有需要的蜂窝信号都存在时生成输出，以及一个 OR 门，它在任何所需信号存在时生成输出。因为您可以通过多种方式实现这些输入、输出和逻辑设备，所以它们在抽象层次结构中比构成它们的部件更高，我们将在接下来进行探讨。事实上，有可能（甚至是可取的）为您的系统构想提供一个设备列表，而无需考虑如何制作它们。
部件是编码基本生物学功能的 DNA 序列，例如启动子、开放阅读框 (ORF) 和核糖体结合位点，这些在 DNA 工程基础章节中有更详细的描述。为了实现设备所需的功能，合成生物学家用简单的部件组装设备。有时，DNA 序列可以是一部件，有时它可以是一个设备，这取决于它在系统中的运行方式。不过，一般来说，设备可以通过它们在系统中的生物学后果来定义，并且它们通常由多个部件组成。砷传感装置可能需要一个与砷结合的蛋白质部件，以及一个启动子部件来启动该蛋白质编码序列的转录，而产生颜色的装置可能包括一个不同的蛋白质部件，它会产生一些彩色的化学信号。该装置可以使用与砷传感装置中使用的相同或不同的启动子部件来表达作为装置输出的产生颜色的蛋白质。
我们将设备和部件视为不同的抽象级别，因为这对我们设计和构建系统很有帮助。然而，设备和部件之间的边界并不像元素周期表上元素之间的边界。可以通过质子数来定义原子，但没有通用的物理定律来说明什么是“设备”和什么是“部件”。实际上，您可能会遇到可以将相同的生物组件视为设备或部件的情况。正如我们在这个设计环境中多次强调的那样，没有“正确”或“错误”的答案。相反，这些不同的抽象层对于设计人员在考虑复杂系统时可能非常有用，而对设计人员的实用性是这种抽象层次结构中最重要的方面。因此，不要让自己陷入困境，无论您是在谈论设备还是部件；这些不同术语的重点是帮助您进行设计。接下来的几个例子将说明这些不同标签的用途。
系统级设计
我们将关注系统级设计的两个组成部分：系统行为和基盘选择。
您在生物设计框架中遵循的早期步骤帮助您决定系统的行为。对于砷项目的想法，iGEM 团队将总体期望行为定义如下：砷会导致可见的颜色变化。这是系统的“简单语言”描述。传达系统行为的第二种方法是使用真值表，这是一种广泛用于电气工程和计算机科学的基本逻辑工具。真值表传达了系统在存在或不存在输入的情况下应该如何表现。对于砷检测系统，真值表很简单：如果输入（砷）不存在，则不应该有输出（不应该产生颜色）；如果输入存在，则输出应打开（应生成颜色）：
| 输入 | 输出 |
|---|---|
| 缺失 | 关闭 |
| 存在 | 打开 |
这个逻辑也可以用其他几种方式表达；例如，其中 false 对应于“off”，true 对应于“on”：
| 输入 | 输出 |
|---|---|
| 假 | 假 |
| 真 | 真 |
或者，您可以使用数学符号，其中“-”对应于“off”，“+”对应于“on”：
| 输入 | 输出 |
|---|---|
| - | - |
| + | + |
或者，您可以使用二进制代码，其中“0”对应“off”，“1”对应“on”：
| 输入 | 输出 |
|---|---|
| 0 | 0 |
| 1 | 1 |
请记住，这些都代表系统的相同基本逻辑，只是使用不同的词汇。当您构建更复杂的系统时，您可能需要更复杂的真值表。在设计复杂设备时，真值表也很有用。我们在随后的逻辑器件描述中提供了一些示例。
系统级设计的第二个方面是确定您将使用哪个宿主有机体或基盘（见图 2-4）来运行您的基因程序。您可以使用许多不同的生物体和细胞类型作为设计系统的基盘，包括细菌、酵母、病毒和哺乳动物细胞。合成生物学最常用的两种基盘是大肠杆菌和酿酒酵母。这两款宿主特性良好、安全且运行相对可靠，使其成为许多设计系统的合适基盘。但根据应用，明智的做法是选择具有特定生长特征的宿主或具有对设计有用的天然蛋白质的宿主。回到本章开头的背包类比，优胜美地是选择的系统，但如果你不喜欢陡峭的攀登或拥挤的人群，它就不是正确的系统选择，你可能需要重新考虑你的远足决定优胜美地与阿巴拉契亚小径，或选择优胜美地的高地而不是山谷。
图 2-4 选择基盘。合成遗传程序通常位于相对容易理解的实验室系统和细胞中，包括此处显示的那些。基盘从最小（左）到最大（右）排列，图标下方显示了大致尺寸和显微工具。
设备级设计
在您指定了系统级设计之后，您可以开始着手进行设备级实现——从我们的背包类比中爬上 Half Dome。同样，请记住，您不需要指定设备工作的确切物理机制。相反，如图 2-5 所示，我们将使用“砷检测器”和“颜色生成器”等通用标签来突出它们的作用，但不一定是它们的作用方式。换句话说，此时您可以命名您想要的任何类型的设备，并且您无需担心它是如何工作的，甚至它是否真的存在。看起来好像您正在凭空拉出设备，但自然生物系统是如此多样化，以至于我们可能会根据现有的生物部件或对其进行小的修改来制造我们想要的任何类型的设备。
图 2-5 两个设备的“黑匣子”描述。砷检测和颜色生成设备的展示方式说明了它们的用途，而不是它们的工作原理。
除了构建系统所需的设备类型之外，另一个考虑因素是最优的设备数量。例如，制造砷检测系统的 iGEM 团队可以为其系统指定两个设备：一个砷检测器，以砷为输入并提供信号作为输出；以及一个颜色生成设备，以来自砷检测器的信号作为输入并产生颜色作为输出。该团队本可以使用单个设备实现相同的系统功能，该设备将砷作为输入并产生颜色作为输出，但这样的设备将是高度专业化的，并且可能只对他们的一个系统有用。通过将系统分成两个设备，该团队定义了更通用的设备，这些设备将来可能对其他应用程序有用。考虑定义在各种应用中具有长期效用的设备是有帮助的。
当系统需要多个设备时，使用电气工程中的另一种工具来整理设计细节会很有用：接线图。电气工程师使用接线图以图形方式表示电路，该接线图解释了部件和设备如何相互连接。它们可以是字面的，连接代表实际的电线，而部件代表特定的电气元件，例如晶体管和电容器，或者它们可以是设计应该如何工作的更抽象和概念性的说明。对于我们的生物学实现，接线图大多是概念性的，因为我们没有实际的电线来连接系统的不同组件。制作这样的接线图可能是制定设计和与其他合成生物学家交流的有用方法。这些接线图就像您在背包旅行时绘制的地图，以攀登半穹顶；您既可以完善您的计划，也可以与他人分享详细信息。
对于我们的砷检测系统，接线图非常简单，如图 2-6 所示。
图 2-6 砷检测系统的接线图。仍然是黑匣子的砷检测器设备连接到同样是黑匣子的颜色生成器设备，说明在存在砷输入的情况下进行颜色输出。
如图 2-6 所示，这只是我们已经口头描述的内容的直观表示；砷是砷传感装置的输入，当砷存在时，它会产生一个信号作为输出。然后，该信号充当颜色生成设备的输入，生成颜色作为输出。随着系统变得更加复杂，这些图表会变得更加复杂。您可以在后面的逻辑设备描述中看到一些其他示例和变体。
逻辑设备
真值表是一种表达系统如何响应不同输入组合的方式，我们称之为响应的布尔“逻辑”。
想象两种化合物，A 和 B。根据 A 和 B 的身份以及特定系统的目标，我们可能会设计对这两种化合物组合的不同响应。为了说明，让我们进一步阐述我们一直在考虑的砷检测系统，并想象我们想要感知环境中的许多化合物。为了保持一般性，我们将化合物称为 A、B、C 等。也许 A 和 B 本身都是有毒的，所以我们希望我们的系统在它们中的任何一个存在时做出响应。或者，也许两者都不是单独的有毒物质，但如果它们都存在，它们会发生反应以产生有毒化合物 C。在这种情况下，我们只希望我们的系统在两者都存在时做出反应。
我们可以在真值表中表示这两种情况。 真值表代表所有可能的输入组合，并为每个组合指定一个输出。输入列在两个表之间不会改变。相反，输出取决于系统的逻辑和存在的输入。例如，以下是在 A 或 B 存在时应触发的系统的真值表：
| 输入 A | 输入 B | 输出 |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
这样的真值表表示或门的操作，在接线图中给出了如下所示的特定符号：
这是第二个系统的真值表，只有当 A 和 B 都存在时才应该触发：
| 输入 A | 输入 B | 输出 |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
下一个真值表代表一个与门，它由一个与或门的符号略有不同但有意义的符号表示：
还有其他种类的输入和输出的逻辑组合不同于 AND 和 OR 门所描述的那些。例如，布尔非门是将输入信号反转为相反的门。它显示在下面的真值表中，并在下图中象征性地显示（注意非门只接受一个输入）：
| 输入 A | 输出 F |
|---|---|
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
通过这种视觉语言和逻辑门的一些简单组合，可以构建非常复杂的系统，包括电子系统和生活系统。例如，以下 NOR 门的真值表与 OR 门的表正好相反：
| 输入 A | 输入 B | 输出 F |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 0 |
在视觉上，或非门表示为一个在右端带有一个圆圈的或门，在其函数中添加一个非并使其成为一个或非门。
启动合成生物学领域的关键研究出版物之一建立了一个在生命系统中运行的 NOR 门。这项工作来自波士顿大学詹姆斯柯林斯博士的实验室。他的研究小组使用遗传部件构建了两个 NOR 逻辑门，并将它们交叉连接以创建一个锁存器。
部件级设计
当您在部件级别进行设计时，您开始（终于！）讨论您的设备如何实际执行分配的任务。让我们回到我们的远足计划上。在那种情况下，有一些路径和预先存在的方法可以实现基本计划。同样，在规划基因程序时，有一个生物“部件”工具箱来构建设备。这些部件包括编码转录因子或荧光蛋白的 ORF、使 RNA 聚合酶开始转录的序列（“启动子部件”），以及编码基因表达调节因子的各种序列，仅举几例。世界上存在的部件数量几乎是无穷无尽的，而且完全是压倒性的。然而，有一些生物部件的目录，例如标准生物部件的登记册，以促进这种基于部件的生物设计方法。您可以在这些开放目录中找到的部件和设备已记录在案，目的是您可以将这些部件重新用于新的生物设计项目。
为了说明部件级设计，让我们最后一次回到砷检测系统。该系统需要能够检测砷的设备，以及将砷的存在与否传送到系统中的下一个设备（即显色设备）的某种方式。有多种方法可以构建砷检测装置。一种直接的方法是基于自然界中发现的一种对砷敏感的蛋白质。 实现砷检测器装置可以通过三个简单部件的组合来完成，即启动子（右上箭头）开始转录设备的 DNA，核糖体结合位点（上半圈）开始翻译其 mRNA，并使用 ORF（长播放按钮）来编码砷敏感蛋白。类似地，颜色生成装置可以由简单的启动子部件、核糖体结合位点部件和导致溶液或细胞本身颜色变化的 ORF 构成。
按照设计，这些设备会感应砷或产生颜色，但为了将信息从一个设备传输到另一个设备，我们需要有点聪明。 为了使砷检测器能够与颜色发生器“对话”，砷检测器的输出必须影响颜色发生器的输入。一种常见的方法是让第一个装置的输出是一种可以调节第二个装置的转录速率的蛋白质。在这种情况下，砷结合蛋白也是一种转录抑制因子，在没有砷的情况下，它会与产生颜色的基因的启动子结合，从而阻断其表达。砷在存在时会与砷结合蛋白结合，使其构象发生改变，使其不再与启动子结合，从而释放启动子以转录产色基因。随着我们继续探索合成生物学系统，您将看到这个主题的许多变化。
像这样的语言描述很难理解，所以我们有另一种视觉语言来表达遗传回路的工作原理，如图 2-7 所示。
图 2-7 将“黑匣子”设备拆开包装。砷检测装置和显色装置均由启动子、RBS和ORF组成。在没有砷的情况下（上图），ORF 1 的产物会抑制启动子 2，因此颜色生成器“关闭”。在砷存在的情况下解除抑制（底部面板）使颜色生成器设备可以“打开”。
图 2-7 中的图表显示，在没有砷的情况下，砷检测设备的输出将抑制显色设备的功能。当砷存在时（如果井水被污染），抑制作用就会解除，在这种情况下，通过另一种抑制剂的作用，允许第二个设备打开颜色生成。
与在抽象层次结构中的每个其他级别做出的设计选择一样，这里也有根据您尝试设计的系统的细节做出的决定。例如，所有启动子部件都是转录因子和 RNA 聚合酶结合的短 DNA 序列，它们总是位于基因的上游，将 DNA 转录成 mRNA 链，然后核糖体将其转化为蛋白质。但是，有许多不同的启动子，有的强，有的弱，还有一些可以以有趣的方式进行调节，因此选择合适的启动子也是设计过程的一个重要方面。砷检测系统要求砷检测蛋白持续存在，因此选择该 ORF 的启动子是因为它可以保持“开启”状态。这种类型的启动子被称为组成型启动子，并且注册表中有许多组成型启动子。注册表中还有一些不适合该系统的启动子。例如，一些称为诱导型启动子的启动子在特定条件下（例如糖的存在或附近生长的细胞数量）具有活性。您不希望为砷检测装置使用诱导型启动子，因为这将导致只有在某些化合物或条件存在时才会表达砷检测蛋白。不过，这种诱导型启动子可能正好适合构建其他系统。
在指定最终所需的序列后，有几种构建它的策略。这些组装策略的详细信息是 DNA 工程基础章节的主题，但简而言之，大多数 DNA 组装涉及从头 DNA 合成和分子生物学工具（如 PCR、限制性内切酶和分子克隆）的组合。
下一步是什么？
在本章中，我们介绍了生物设计的基础知识，并说明了在您进行自己的设计时可能有用的不同抽象层和符号表示。我们强调的一个想法是，在您完成设计过程时，没有“正确”或“错误”的答案。回到本章开头的类比，设计是一段旅程。 在您努力开发您的生物设计时，您肯定会经历一些错误的开始和错误的转折，但这些都是学习经验，而不是错误，这将帮助您更好地了解您的系统并在您完成设计过程时为您的设计过程提供信息设计-构建-测试迭代的循环。
当然，设计只是第一步，我们将在本章结束时对下一阶段进行简短的探索，即设计的实现。再次回到我们的背包类比，这次旅行的实施将涉及购买或制造必要的设备、打包行李、到达登山口，然后开始徒步旅行。在徒步旅行期间，您可能会花一些时间看看您面前的地面，确保您不会被树根绊倒，或者可能会注意到一朵野花；其他时候，您可能会休息一下，抬头欣赏周围的整个环境，或者在到达半穹顶时欣赏一览无余的景色。您可能会偏离轨道一次或两次（或更多），或者您可能会意识到您计划的原始路线实际上并不是您想要采取的路线并改变您的计划。您可能会变得过于脱水，甚至无法到达半穹顶的顶部。尽管这样的失败可能会令人沮丧，但您将学到一些有关您的设计的知识，这将帮助您改进下一次旅行的计划。无论结果如何，您都将拥有全新的知识财富，可以将其应用于下一次设计迭代。
购买或制造远足设备对应于购买或制造我们的生物设计所需的 DNA 序列，您可以将打包行李视为在需要它们的地方插入这些 DNA 序列，以构建设计的生物体。然后，到达起点并开始徒步旅行是我们设计的测试过程。我们可以进行不同类型的测试来查看设计的各个元素，比如小野花，我们还可以进行测试来调查系统的整体行为，比如从半穹顶的顶部看风景。同样重要的是要记住，这是完全正常的，预计会出现一些错误的转弯，改变我们对想要走的路线的想法，或者有时会意识到我们不会达到我们想要的结果。在所有这些情况下，我们可以利用我们在此过程中学到的知识来改进我们设计的下一次迭代。
就像我们假设的背包旅行一样，您可以将生物设计及其相关实施视为一次旅程。在那段旅程中，我们最终从不同的角度和抽象级别来看待我们的系统，我们发现自己使用不同类型的工具来实现我们的目标，毫无疑问，我们在走上正轨之前会走错路。只要我们密切关注系统的行为方式，我们就会一路学习，这将提高我们的理解和下一次设计迭代。
额外阅读和资源
- Danchin, A. 扩充合成生物学：不要忘记基盘。FEBS Letters 2012; 586(15): 2129-37。
- Galdzicki, M. 等，合成生物学开放语言 (SBOL) 为合成生物学中的设计交流提供了社区标准。Nature Biotechnology 2014; 32: 545-50。
- Gardner, T. S., Cantor, C. R., Collins J. J. 在大肠杆菌中构建基因切换开关。Nature 2000; 403(6767): 339-42。
- Marchisio, M. A., Stelling, J. 数字合成基因电路的自动设计。公共科学图书馆 2011；DOI：10.1371/journal.pcbi.1001083。
- Oremland, R. S., Stolz, JF. 砷的生态学。Science 2003; 300(5621): 939-44。
- 网站：砷检测器 iGEM 项目 ( http://bit.ly/arsenic_detector )。
- 网站：生物部件登记处 ( http://parts.igem.org/Main_Page )。