合成生物学运算放大器框架实现复杂生物信号的高效正交化处理

研究人员针对合成生物学中非正交信号干扰导致的基因回路控制难题，开发了基于正交σ/anti-σ因子对的生物运算放大器(OA)框架。通过工程化开放/闭环电路设计，该研究实现了153-688倍的信号放大和三维群体感应系统(QS)串扰消除，为代谢工程和动态调控提供了无诱导剂的解决方案。

　　

在合成生物学领域，细胞处理复杂环境信号的能力直接影响工程化系统的可靠性。然而，天然基因回路常因信号交叉干扰（crosstalk）导致控制失准，传统二元开关(ON/OFF)系统难以模拟生物固有的多维信号处理能力。尤其在大肠杆菌等模式生物中，生长阶段相关的σ因子（如σ^S和σ⁷⁰）调控网络存在显著重叠，使指数期与稳定期的基因表达难以精确解耦。这种非正交性(non-orthogonality)严重制约了动态代谢调控、生物传感器等应用的发展。

中国科学院的研究团队在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地将电子工程中的运算放大器(Operational Amplifier, OA)概念引入合成生物学。通过设计包含ECFσ因子(如ECF22、ECF11)和对应抗σ因子的正交对，结合核糖体结合位点(RBS)强度调控，构建了能执行线性运算的生物OA模块。这些模块通过矩阵运算实现信号的正交化分解，首次在活细胞中实现了类似电子滤波器的功能。

研究采用的关键技术包括：1) 基于RNA-seq的启动子筛选策略，从大肠杆菌K-12中鉴定出28个生长阶段特异性启动子；2) 双输入OA电路设计，通过IPTG/CA梯度诱导测试验证线性响应；3) 闭环负反馈系统构建，利用突变型启动子P_ECF22-M1扩展线性工作范围；4) 三维正交信号转换(3D-OST)算法，解析群体感应系统中LuxR/3-OC6HSL等信号通路的串扰问题。

分解多维信号的合成正交信号转换电路

通过数学建模将重叠的启动子活性(P_EXP和P_STA)转化为二维向量，设计OA电路执行a·X₁-β·X₂运算。实验显示该框架可扩展至N维输入，通过系数矩阵实现信号对角化，其中闭环设计使线性工作范围从1.2(开环)提升至36.6。

合成OA电路构建与性能评估

比较开放环(OA_O)与闭环(OA_C)配置发现，闭环系统信噪比(SNR)提升显著，功能区域扩大3倍。当X_E=αX₁-βX₂时，闭环电路在X_E?K₂条件下保持线性输出，其3dB带宽决定有效工作范围。

合成生长响应装置

工程化启动子文库包含"TATACT"-10 motif(稳定期)和经典"TATAAT"(指数期)变体。将合成启动子与OA_O(E22.7.21.P_ECF22)耦合时，信号放大倍数从天然启动子的4倍提升至688倍，验证了设计规则的有效性。

动态代谢控制的功能放大器应用

在BL21中构建的STA-ON5系统实现无诱导剂的阶段特异性蛋白表达：指数期OD₆₀₀≈0.3时抑制T7RNAP表达，稳定期产量达98kDa。在MG1655ΔaroKΔaroL菌株中，EXP-ON1电路动态调控分支酸途径，使莽草酸(SA)产量提升8倍。

三维信号处理的外部输入矩阵

针对QS系统中LuxR/3-OC6HSL等通路的串扰，通过Hadamard积分解解码矩阵。使用PlasO-bE等缩放启动子构建3D-OST系统后，实验数据与预测结果相关系数R²=0.855，成功实现信号正交化。

该研究建立的生物OA框架突破了合成回路中信号处理的维度限制，其标准化设计支持自动化平台集成。特别是闭环配置通过负反馈机制显著提高鲁棒性，为构建更复杂的模拟-数字混合电路奠定基础。未来结合语言模型优化启动子设计，有望将这一技术拓展至真核系统，推动合成生物学向更高层次的信号处理能力迈进。