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生物工程工具的发展提高了将新功能赋予生物体的能力。与此同时，过去十年间，我们对合成基因线路与宿主之间相互作用的理解不断深化，推动了能够考虑环境与宿主背景的预测模型的开发。然而，当基因线路在实际应用相关条件下运行时，其长期功能仍难以预测。具体而言，合成基因线路通常在指数生长期进行表征，但在实际应用中，它们必须在营养受限且细菌进入稳定期的条件下持续运行较长时间。在本研究中，我们构建了一个数学模型，用于描述细胞进入稳定期过程中基因线路的动态变化。为此，我们构建了以荧光报告信号为输出的合成基因线路，并在细胞处于稳定期的一周内测量了质粒DNA拷贝数、mRNA水平、蛋白质水平和活细胞数。我们发现，转录速率在细胞进入稳定期后不久便急剧下降，但随后稳定在一个同时取决于启动子和核糖体结合位点的基础水平。翻译速率在稳定期也会下降，但由于细胞不再分裂，蛋白质的积累可使其水平远高于指数生长期。我们的模型再现了这些发现，并能够预测新基因线路的输出。该模型可作为一种工具，用于判断当细胞进入稳定期时，基因线路设计在较长时间尺度上可能发生的变化。
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生物工程工具的发展提高了将新功能嵌入活体生物的能力。与此同时，过去十年间，我们对合成基因回路与宿主之间相互作用的认识迅速加深，推动了能够考虑环境背景的预测模型的开发。然而，当所设计的回路在贴近实际应用的条件下运行时，其长期功能仍难以预测。具体而言，合成基因回路通常在指数生长期进行表征，但实际运行时却必须在营养受限、细菌进入稳定生长期的条件下持续工作较长时间。在本研究中，我们构建了一个数学模型，用于描述细胞向稳定生长期过渡时基因回路的动态变化。为此，我们构建了以荧光报告蛋白为输出的合成基因回路，并在稳定生长期的一周内测量了质粒 DNA 拷贝数、mRNA 水平、蛋白质水平及活细胞数量。我们发现，转录速率在进入稳定期后不久急剧下降，随后稳定在一个由启动子和核糖体结合位点共同决定的基础水平。翻译速率在稳定期也会下降，但由于细胞不再分裂而导致的蛋白质积累，可使蛋白质水平远高于指数生长期。我们的模型重现了这些发现，并能够预测新基因回路的输出。该模型可作为一种工具，用于确定在细胞进入稳定生长期的较长时间尺度上，基因回路设计的表现可能如何变化。
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
资助方信息
已声明
美国国防高级研究计划局，
，HR001124C0441
美国海军研究办公室，
，N00014-25-1-2053
版权
本预印本的版权持有人为作者／资助方，其已授予 bioRxiv 永久展示本预印本的许可。
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发布于2026年10月12日。
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细菌生长阶段如何重塑合成基因回路的功能
Eric J
Lu
，
Domitilla
Del Vecchio
bioRxiv
2026.10.09.752898；
doi：
https://doi.org/10.64898/2026.10.09.752898
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细菌生长阶段如何重塑合成基因回路的功能
Eric J
Lu
，
Domitilla
Del Vecchio
bioRxiv
2026.10.09.752898；
doi：
https://doi.org/10.64898/2026.10.09.752898
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关键词：合成基因回路 · 细菌稳定期 · 转录调控 · 翻译调控 · 蛋白质积累 · 数学建模
原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.10.09.752898v1?rss=1