一种用于基因系统工程的低成本、高通量设计—构建—测试流程：以复杂结构蛋白为对象的压力测试

遗传系统工程受到高昂的 DNA 合成成本、低效的组装过程以及复杂蛋白表达困难的制约。为解决这些限制，我们开发了一条高度并行、低成本的遗传系统设计、组装与功能筛选流程，并以高度重复的结构蛋白为对象对其进行了压力测试，这些蛋白包括蜘蛛丝蛋白、生物水泥蛋白、反射蛋白和辅肌动蛋白。 该集成流程结合了计算驱动的遗传系统设计、基于寡核苷酸池的低成本多质粒 DNA 组装、利用纳米孔测序数据进行的自动化多对多映射，以及一种用于测量单细胞蛋白表达水平的无标记生物传感器。我们应用该流程构建了 239 个质粒，采用标准克隆分离方法时实现了 88% 的成功率（最长可达 2000 bp），在不进行选择性 DNA 纯化的情况下实现了 58% 的组装效率（最长可达 5600 bp），同时将材料成本最多降低了 24 倍。 我们进一步应用该生物传感器鉴定出能够形成不同细胞亚群的遗传因素，这些亚群具有不同的蛋白表达水平。总体而言，该集成流程将显著降低高通量合成生物学的成本，同时也表明，通过将提升构建效率的遗传系统设计理念（“面向构建的设计”）以及将生物传感器直接整合进遗传系统的策略（“面向测试的设计”）结合起来，能够大幅加速“设计—构建—测试”工作流程。

遗传系统工程受到 DNA 合成成本高、组装效率低以及复杂蛋白表达困难等因素的限制。为解决这些局限性，我们开发了一条高度并行、低成本的遗传系统设计、组装与功能筛选流程，并以高重复性结构蛋白为对象对其进行了严格测试，这些蛋白包括蜘蛛丝蛋白、生物胶结材料蛋白、反射蛋白和肌腱蛋白。该集成流程结合了计算遗传系统设计、基于寡核苷酸池的低成本多质粒 DNA 组装、利用纳米孔测序数据进行自动化多对多映射，以及一种用于测量单细胞蛋白表达水平的无标记生物传感器。我们应用该流程构建了 239 个质粒，在采用标准克隆分离的情况下实现了 88% 的成功率（最长可达 2000 bp），在不进行选择性 DNA 纯化的情况下实现了 58% 的组装效率（最长可达 5600 bp），同时将材料成本最多降低了 24 倍。我们进一步利用该生物传感器鉴定出能够形成不同细胞亚群的遗传因素，这些亚群具有不同的蛋白表达水平。总体而言，该集成流程将大幅降低高通量合成生物学的成本，同时表明，通过以提高构建效率为目标进行遗传系统设计（“面向构建的设计”），以及将生物传感器直接整合到遗传系统中（“面向测试的设计”），将显著加速设计—构建—测试工作流程。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.06.08.729977v1?rss=1

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