莱斯大学教授詹姆斯·查佩尔（James Chappell）团队近日在《自然通讯》发表研究，提出一种质粒复制起点（origin of replication，ORI）的合成设计方案。质粒作为环状DNA片段，自20世纪70年代以来一直是分子生物学研究中的常用工具。研究团队表示，新方案旨在绕开传统质粒在实验应用中面临的两项主要限制：拷贝数难以灵活设定，以及不同质粒在同一细胞内共存时的不兼容性问题。

传统质粒复制的两项限制

查佩尔作为论文通讯作者指出，长期以来研究人员在设计实验时往往需要围绕质粒“固定拷贝数”和“质粒不兼容性”进行权衡与变通。他表示，团队选择从质粒自身入手，通过改造ORI来实现更直接的调控。

研究介绍，质粒通常被导入细菌细胞后，利用宿主细胞机制进行复制并表达蛋白质。质粒在复制过程中会产生被称为“负调控因子”的停止信号片段，这些片段会与ORI结合；当ORI累积结合到足够数量的停止信号后，质粒复制将被抑制，从而在细胞内维持相对恒定的拷贝数。

不同质粒达到“完全停止”所需的负调控因子数量并不相同：有的质粒需要更多停止信号，因此可在细胞内复制到数百份并产生更多蛋白；有的质粒只需较少停止信号，拷贝数与蛋白产量相对更低。研究人员在实验中往往需要特定水平的蛋白表达量，因此拷贝数成为实验设计的重要变量。

除拷贝数外，ORI类型也会影响多质粒共存。研究称，ORI大约可分为27个不同类别；当两个具有相同或相似ORI的质粒进入同一细胞时，会产生并结合相同的负调控因子，导致蛋白产量下降。这种不兼容性使得研究人员通常难以在单个细胞内同时引入大量质粒。

模块化合成ORI的设计与验证

为解决上述问题，查佩尔团队与新墨西哥大学合作者马特·莱金（Matt Lakin）合作，开发了模块化的合成ORI版本。研究人员表示，该设计允许分别控制质粒使用哪一种停止信号，以及需要多少停止信号才能抑制复制，从而同时实现对拷贝数与不兼容性的调节。

论文第一作者、前研究生刘柏阳（25届）表示，团队没有沿用天然停止信号，而是采用合成工程化的RNA控制元件，并建立了可供质粒使用的多样化RNA控制元件库。研究人员认为，这一做法为在同一细胞内引入更多质粒、并降低不兼容性对复制的影响提供了可能。

在实验验证中，研究团队将6个携带合成ORI的质粒同时导入细胞。结果显示，这6个质粒均能复制至合成ORI设定的拷贝数，并成功表达各自的蛋白产物。研究还显示，拷贝数可实现动态编程，合成ORI允许质粒复制量随细胞内条件变化而增加或减少。

查佩尔表示，该模块化设计为分子生物学关键工具带来更精细的控制方式，使研究人员可根据实验需求调整质粒设置，从而简化流程并拓展实验操作空间。