机械遗传学（Mechanogenetics）

机械传导通过机械刺激转化为细胞内的生化信号，支撑重要的生物过程，包括细胞生长、分化和组织稳态。这使得细胞能够感知并响应其机械环境，从而在不同条件下优化其功能。在分子尺度上，机械传导涉及专门的蛋白质，包括离子通道、受体和细胞骨架元件，它们与机械信号相协调。在机械扰动下，这些蛋白质会发生构象变化或位移，激活细胞内信号级联，最终导致基因表达、蛋白质合成或细胞行为的改变。机械遗传学是一门新兴学科，它通过基因编码工具利用机械力来调节细胞反应（图 4A），这些工具主要包括机械敏感离子通道或受体。这些蛋白质在靶细胞中的表达使研究人员能够通过机械干预来诱导或抑制细胞功能。

▲ 图 4：机械力响应蛋白与机械遗传学工程策略。(A) 各种机械力可以在细胞内操作，这些机械力来自外部物理刺激，如压缩、拉伸和剪切，或环境变化，包括流体流动引起的压力和渗透。(B) 机械遗传学控制的机械敏感离子通道代表模型，包括 Piezo1、MscL、MscS 和瞬时受体电位 4 （TRPV4）通道。在哺乳动物细胞中，这些通道的激活促进钙离子内流，然后与活化 T 细胞核因子（NFAT）偶联，调节基因表达。(C) 纳米颗粒（NP）介导的机械遗传系统利用合成的纳米颗粒作为磁镊。这些纳米粒可以在其表面对标记物或标签进行多种修饰。当用靶向这些标记物或标签的重组受体转染细胞后，细胞行为和靶基因的表达可以通过磁场产生的机械力来调节。这种机制与磁机械转导非常相似。(D) 基于 Yes 相关蛋白（YAP）和具有 PDZ 结合基序的转录共激活因子（TAZ）的机械遗传系统。作为机械敏感性转录因子，YAP/TAZ 是 Hippo 信号通路的重要组成部分。YAP 和 TAZ 将来自细胞微环境的机械信号，如基底硬度、细胞形状和组织张力，转化为基因表达的变化。这种机械转导过程影响了细胞的多种功能，包括增殖、分化、迁移、干细胞命运决定以及组织发育。缩写：BG，苄基鸟嘌呤；G.O.I.，目的基因；KIBRA，一种支架蛋白；LATS1/2，大肿瘤抑制激酶 1 和 2；NF2，肌动蛋白细胞骨架调节因子；MST1/2，哺乳动物 Ste20 类激酶 1 和 2；RhoA，小 GTP 酶蛋白；SNAP，可溶性 NSF 附着蛋白；TEAD，TEA 域转录因子。

用于机械遗传学控制的机械敏感离子通道

Piezo 家族的机械敏感离子通道家族在多种生理过程中发挥着关键作用，包括触觉、痛觉、本体感觉、听力、血压调节、胚胎发育、血管发育、骨和肌肉稳态以及转移。这些通道巧妙地将机械力转化为动物体内的生物信号。类似地，具有大（MscL）、小（MscS）、钾依赖性（MscK）和迷你（MscM）传导能力的机械敏感通道对细菌的渗透调节、机械刺激感知和环境变化的适应起着重要作用。（图 4B）。

Pan 及其同事设计了将机械敏感离子通道 Piezo1 整合到哺乳动物细胞中的遗传电路，该电路可以通过超声波刺激激活。超声诱导的 Piezo1 激活导致钙内流，进而激活 NFAT 的核内转位（图 4B）。这种易位促进了 NFAT 反应元件的激活，驱动了目标基因的表达。值得注意的是，作者对 Jurkat T 细胞进行了改造，将超声波诱导的机械振动远程转换为转录激活，以表达针对肿瘤细胞的 CAR。Strittmatter 及其同事利用 96 孔剪切应力诱导装置证明，哺乳动物细胞中 Piezo1 或 MscL 的异位表达可以机械地调节钙响应启动子下游的基因表达（图 4B）。最近，Haijie Zhao 及其同事利用这些机械敏感离子通道在 T1DM 小鼠中进行机械遗传学应用。他们通过组成型表达葡萄糖不敏感的人胰腺β细胞系 Piezo1、MscS 或 MscL 与胰岛素原表达单位结合。这些工程细胞可以通过音乐诱导的机械传导被激活，触发钙流入依赖性囊泡分泌机制，促进储存的胰岛素的快速释放。通过将微胶囊化的工程细胞植入 1 型糖尿病小鼠并在 60 dB（50 m/s²）的低频声波（音乐播放 15 分钟）后，血糖水平恢复正常。这些发现表明，哺乳动物来源的压电通道和细菌来源的 MSC 通道都有望成为响应非接触物理信号的细胞疗法的候选工具。

在前面关于磁遗传学的讨论中，我们概述了利用 Piezo1 和纳米颗粒作为磁遗传学工具进行磁机械转导。2016 年，Seo 及其同事报道了另一个值得注意的使用纳米颗粒的机械遗传学工具。他们开发了磁等离子纳米粒子（MPN），能够以卓越的时空精度对目标蛋白质进行成像、定位和机械装载。研究表明，MPN 可以有效地靶向两种机械敏感蛋白：Notch 和血管内皮 （VE）-钙粘蛋白，在单分子和单细胞分辨率下实现单价和化学计量的配体-受体结合（图 4C）。此外，他们的研究表明，仅机械力就可以激活 Notch 受体聚集和配体结合。

基于 YAP/TAZ 的机械发生系统

Yes 相关蛋白 （YAP） 和具有 PDZ 结合基序的转录共激活因子 （TAZ），统称为 YAP/TAZ，作为 Hippo 信号通路中的关键调节因子，协调参与癌症进展、组织纤维化和器官的重要细胞过程再生。它们的活性受到多种生理机制的调节，包括粘着斑、连接、受体激活和翻译后修饰。来自细胞微环境的机械信号，例如基质刚性、剪切应力和细胞形态，可以激活汇聚在 YAP 和 TAZ 上的机械转导途径。当暴露于机械力时，这些蛋白质易位到细胞核，调节基因表达，并将机械信号转化为生化反应（图 4D）。为了利用机械环境在癌症转移中的关键作用，Liu 和同事率先开发了机械遗传学平台，称为“机械反应细胞系统”[134]。该系统通过工程化的间充质干细胞选择性地识别和靶向肿瘤微环境中的癌症转移，这些干细胞含有 YAP/TAZ 响应元件以响应生物力学信号（图 4D）。这种激活驱动 YAP/TAZ 转录因子的核定位，促进抗肿瘤剂转化酶、胞嘧啶脱氨酶的产生，用于靶向癌细胞消融。

基于 TRPV4 的机械遗传系统

TRPV4 已成为温度、渗透压和机械应力的关键传感器。它在各种组织中显着表达，包括脉管系统、呼吸道、肾脏和骨骼系统，在其中调节细胞功能以响应机械刺激。TRPV4 的机械激活会诱导阳离子流入（主要是钙离子），这可以进一步调节内皮细胞功能、血管张力、上皮屏障完整性和骨骼发育。Nims 和同事利用 TRPV4 依赖性信号传导的机械遗传遗传电路，设计了一种机械响应组织。他们在软骨细胞内设计了合成遗传电路，通过机械 TRPV4 信号传导激活，驱动抗炎分子白细胞介素 （IL）-1 受体拮抗剂 （IL-1Ra） 的产生，这是一种获批用于治疗类风湿性关节炎的药物。通过机械负载激活软骨细胞 TRPV4 可保护工程化构造免受 IL-1a 介导的炎症降解。

总之，机械遗传学主要使用机械敏感通道或受体，如 Piezos、TRPV4、MscL 和 MScS，它们在响应机械信号时会改变其构象或活性。这些方法有助于剖析机械传导途径、阐明细胞信号传导机制以及了解从单细胞到生物体的不同生物系统的组织生物力学。对机械传导途径的深入理解可以为靶向机械敏感蛋白或通路的创新治疗策略铺平道路，并在组织再生和药物递送方面具有潜在应用。因此，机械遗传学为研究和利用细胞对机械力的反应提供了一条有前途的途径，增进了我们对机械转导及其生物医学意义的理解。

声遗传学

声遗传学是一个跨学科前沿领域，将遗传学与声波技术相结合，通过声波调节来精确控制基因修饰细胞的行为。通过将声音敏感基因或蛋白质整合到合成遗传电路中，细胞获得对其功能进行非侵入性和时空控制的能力，使研究人员能够设计响应声音信号的系统，从而实现对基因表达的无与伦比的控制，细胞活动和各种疾病的治疗。声遗传学工具为基因调控、行为操控和个性化医疗带来了革命性的进步。

▲ 图 5：声遗传学工程策略及其应用。（ A ）发声控制单元包括超声波发生器或其他声传导。（ 2 ）声遗传学传感器工程化。策略包括将物理振动转化或放大为生物信号，类似于机械遗传学中的机制。瞬时受体电位（ transient receptor potential，TRP ）通道包括 TRP4、TRPA1、TRPP1/2、TRPC1、TRPM2、TRPM4 和 TRPV1，是常见的声敏感感受器。离子通道，如 MscL 和 Piezo1，将音乐振动转化为生物信号，如钙离子内流。微泡介导的声空化产生于超声波和微泡之间的相互作用，诱导的压力变化在超声介导的成像、声孔和药物传递中起着至关重要的作用。此外，根据热遗传学的描述，聚焦超声可以作为热源发挥作用。当与热响应蛋白，如热休克蛋白（ HSP ）耦合时，超声可以直接控制基因表达。（ C ）声遗传学应用实例。文献报道的应用包括调节神经活动，操纵秀丽隐杆线虫行为，控制基因表达和基因编辑，以及通过使用超声波降低小鼠的体温来诱导冬眠样状态。

TRP 通道在声遗传学中的作用

虽然超声波或声波（图 5A）可以被视为机械信号，但并非所有声遗传学工具都与机械遗传学重叠。声音的非侵入性性质使其在神经调控领域具有重要地位。具体来说，TRP 通道扩大了超声在神经科学中的应用范围。2015 年，Ibsen 及其同事开创了一种非侵入性方法，利用超声波与充气微泡进行转导来激活线虫中的神经元。他们发现，神经元特异性过度表达 TRP-4（机械转导通道的成孔亚基）可增强神经元对超声刺激的敏感性，引发不同的行为反应 （图 5B）。最近，Duque 和合作者证明 TRPA1 可以放大超声波诱发的反应，从而能够在完整的哺乳动物大脑中进行有效的神经元操纵。Yoo 等人进一步推进了这一领域，系统地阐明了各种钙选择性机械敏感离子通道响应超声刺激的作用。他们的研究表明，TRPP1/2 复合体和 TRPC1 机械感受器是介导原代小鼠皮质神经元超声反应的关键通道。值得注意的是，过度表达 TRPC1、TRPP2 和 TRPM4 会使神经元对超声刺激敏感。2023 年，Xu 和同事使用腺相关病毒载体将 TRPV1 传递到小鼠运动皮层，使神经元对声遗传学刺激敏感。超声激活 TRPV1 诱导产生了刺激部位对侧的旋转行为，并上调皮质神经元中 c-Fos 的表达，而对炎症或细胞凋亡标记物（如 GFAP 和 caspase-3）没有明显影响。有趣的是，在一项平行研究中，超声波成为一种精确而安全的方式，可在啮齿类动物中诱导类似麻木的低温和低代谢状态。Yang 和同事对下丘脑视前区的神经元进行超声刺激以诱导这种状态。他们发现 TRPM2 作为超声敏感离子通道，对于诱导不麻木的大鼠代谢低下状态至关重要（图 5B、C）。这一突破性的发现表明超声波可以用于诱导动物进入类似冬眠的状态。简而言之，这些见解提供了对超声诱导神经元兴奋的全面机制理解，促进了超声神经调节的进步。

微泡在声遗传学中的作用

微泡因其独特的声学特性，在声遗传学中发挥着关键作用。这些充满气体的微球通常为微米尺寸，当暴露于液体介质中的超声波时会经历独特的振荡和振动。这种现象被称为声空化，是由超声波和微泡之间的相互作用引起的，诱发压力变化并引发动态响应（图 5B）。在声遗传学中，微泡具有广泛应用，特别是在超声介导的成像、声孔作用和药物输送方面。一个典型的例子是声孔作用，这是一种细胞膜在暴露于超声波期间经历由微泡空化引起的短暂破坏的过程。当超声波指向含有微泡和核酸的溶液时，这些微泡迅速膨胀和收缩，施加局部机械力。这些力促使细胞膜中临时孔的形成，促进外源核酸进入细胞质，并实现遗传物质的高效和定向递送。

在我们之前关于机械遗传学的讨论中，我们重点介绍了 Pan 及其合作者的工作，他们开发了由超声波通过 Piezo1 离子通道激活的机械遗传学免疫细胞，以表达 CAR 以实现靶向肿瘤细胞消除。在此基础上，该小组通过将 CAR 盒集成到热休克蛋白启动子下，设计了一个超声响应系统。这种方法能够利用聚焦超声诱导的热量对 CAR-T 细胞功能进行可逆控制，有效地最大限度地减少肿瘤外效应并增强肿瘤生长抑制。同时进行的尝试中，刘等人设计了一个具有 dCas12a 和热休克启动子下的效应器的系统来调节内源基因表达。他们展示了使用超声波诱导热在体外和体内精确控制基因激活和碱基编辑（图 5B，C）。此外，在目标皮层下神经元中突变的大传导机械敏感离子通道（MscL-G22S）的过度表达使这些神经元对超声刺激过敏，导致伏隔核中多巴胺的释放和奖励性条件反射的调节。

其他声遗传学策略

huang 和同事设计了一种利用聚焦超声刺激来调节细胞活动的声遗传学策略。它们异位表达了一种突变的超声响应蛋白 prestin，赋予哺乳动物细胞感知低频和低压超声的能力。他们证明脉冲超声波可以无创地刺激小鼠大脑深处表达 prestin 的神经元。这种方法改善了小鼠模型中的多巴胺能神经变性并减轻了帕金森病症状（图 5B，C）。值得注意的是，Cotero 和同事开创了一种通过调控器官内胆碱以达到抗炎和血糖调节目的的方法 。他们聚焦超声作用于脾脏中的特定神经靶标，实现了与基于植入物的迷走神经刺激（VNS）相当的细胞因子对内毒素反应的减少。同样，他们的方法有效地维持了肝脏的血糖稳态，与 VNS 对抗内毒素暴露引起的高血糖效应的功效相匹配。

鉴于声波作为机械信号，声遗传学与机械遗传学有许多共同的特性。正如我们所强调的，许多机械敏感离子通道和受体，例如 TRP 和 MscL，已被用作响应超声刺激的声遗传工具。此外，超声波的热诱导特性已被用作声遗传学调节的策略，类似于热遗传学。因此，热响应调节因子，例如热休克蛋白和 Tlps （图 5B，C），已被设计到声遗传学系统中。

总之，合成生物学中的声遗传学融合了遗传学和声学的原理，提供了对细胞功能的非侵入性精确控制。这种跨学科方法体现了工程学与生物系统的融合，为细胞功能操控和研究的突破铺平了道路，在生物医学和生物技术领域具有变革潜力。

电遗传学

电刺激长期以来在科学研究和临床应用中被用来影响行为或引发特定反应。利用电信号影响细胞活动的能力，该技术可以触发膜电位，促进细胞增殖和分化，管理激素，恢复正常心律，促进组织再生，诱导肌肉收缩，控制疼痛，并治疗神经系统疾病，包括中风和癫痫。生物电子学的最新进展促进了利用电刺激与神经系统或其他组织相互作用以达到治疗目的的植入式设备和可穿戴设备的开发。这些例子包括治疗帕金森病的深部脑刺激和用于恢复听力的人工耳蜗。因此，电刺激正在成为一种简单、安全、经济、高效且通用的基因调控方法。

电遗传学是合成生物学中一个不断发展的领域，它通过电刺激或电子设备使用电刺激来调节细胞遗传活动（图 6A–F）。最近的进展已经产生了多种用于调节基因表达的电遗传学工具，服务于治疗和生物学目标。

▲ 图 6：电遗传学的机理与策略。用于电遗传控制的（A-C）电源。（A）采用电源供电的交流电电子控制单元。（B）采用压电材料发电的定制按钮。（C）工程化代谢燃料电池将生物化学能转化为电能。（D-F） AC 电刺激设置示意图。（D）将碳悬挂电极浸入细胞培养基中，产生交替的单极性脉冲。（E）两个铂电极位于覆盖有细胞的多孔膜的对面。电极之间施加电脉冲刺激。F）两个电极连接在定制腔体的对面，并涂覆一层薄的铂（Pt）层用于导电。（G）电刺激胰岛素释放示意图。电压门控钙离子通道通过内向整流钾离子通道，如 Kir2.1，维持在关闭状态。当受到电刺激时，细胞膜发生去极化，导致 CaV1.2 通道开放，随后钙离子内流，触发囊泡分泌。（H）使用现成电池的直流（DC）控制的电遗传系统的示意图。这种电遗传回路是基于核因子 E2 相关因子 2/Kelch 样环氧氯丙烷相关蛋白 1 （NRF2/KEAP1）的抗氧化反应。在非刺激条件下，KEAP1 与 NRF2 相互作用，导致 26S 蛋白酶体持续靶向降解。在电刺激下，电诱发的活性氧（ROS）破坏定位于细胞质中的 NRF2 和 KEAP1 复合物，触发 NRF2 转位到细胞核，在细胞核中通过与上游合成启动子中的抗氧化反应元件（ARE）位点结合，激活目的基因（G.O.I）的表达。

离子通道的表达使哺乳动物细胞对电刺激敏感

哺乳动物细胞中电遗传学的根源可以追溯到 2008 年，当时 Weber 及其同事引入了一种合成电力可调节的转录控制系统，能够在哺乳动物细胞中实现特定转基因的电诱导表达和微电子电路的控制。2020 年，Krawczyk 和合作者在哺乳动物电遗传学领域实现了一个重要的里程碑。他们设计了一种突破性的无辅因子生物电子接口，可直接将人体细胞的无线电刺激与两个关键结果连接起来：合成启动子驱动的转基因表达和从囊泡库中快速分泌组成型表达的蛋白质治疗剂（图 6A，E， G）。为了使哺乳动物细胞对电刺激更加敏感，他们引入了异位表达的 L 型电压门控通道 CaV1.2 和内向整流钾通道 Kir2.1。这些通道与工程钙信号响应启动子下游所需的转基因表达相结合，并且通过电刺激触发的钙离子内流来激活。此外，他们将电遗传基因盒无缝整合到工程化的人β细胞系中（命名为 Electroβ 细胞），用于控制胰岛素原的表达。他们的非凡成就实现了囊泡胰岛素的实时控制释放，通过对植入定制生物电子设备中的 Electroβ 细胞进行无线电刺激，有效恢复 1 型糖尿病小鼠的正常血糖（图 6A、D、E、G）。这项开创性的工作首次证明了电遗传学控制可以在哺乳动物系统中通过对治疗性蛋白质释放以治疗疾病。

材料科学助力电遗传学发展

将电遗传学与材料科学相结合是一个战略性进步：利用压电材料发电作为电源。Kong 等人开创了这种方法，将巨噬细胞接种到导电材料 β 相聚偏二氟乙烯 （β-PVDF） 的表面，并使用超声波振动产生电信号。他们的研究表明，由压电材料介导的局部电刺激可非侵入性地增强巨噬细胞的促炎反应，显著阻碍肿瘤细胞增殖。在这项研究之后，Zhao 和同事开发了一种自给自足的皮下细胞植入物，由按钮控制并嵌入 PVDF 压电膜（图 6B）。他们在植入室内接种了电敏感的人类设计细胞，并通过轻轻推动压电膜产生的低压电来调节治疗蛋白的分泌（图 6F、G）。为了证明功效，当这些按钮状装置被皮下植入 T1DM 小鼠时，手指推动触发的胰岛素释放成功恢复了正常血糖。最近，Maity 和同事设计了一种代谢燃料电池，能够将多余的葡萄糖转化为电能（图 6C、G）。该电源可以产生足够的能量来驱动工程β细胞释放囊泡胰岛素的电遗传调节。他们的系统在监测血糖水平和发电驱动胰岛素释放方面表现出功效，最终恢复实验性 T1DM 小鼠的正常血糖。这些创新为开发将电子设备与合成基因开关集成以实现个性化医疗的可穿戴设备开辟了道路。

直流电调节技术

电子设备现已成为我们日常生活中不可或缺的一部分，几乎所有便携式电子设备都依赖低压直流 （DC） 电源。比如电子手表、手机、耳机和各种可穿戴设备。现代社会中很容易获得许多直流电源，例如 AA 和 AAA 电池、纽扣电池、手机和电脑充电器以及相机、无人机和手电筒的充电电池。为了弥合直流供电的可穿戴设备和基于细胞的基因疗法之间的差距，Huang 及其同事最近开发了一种直流驱动的调节技术（DART），该技术使用电信号来调节人类细胞中的靶基因表达（图 6H） 。DART 系统利用工程活性氧 （ROS） 传感器，特别是 Kelch 样 ECH 相关蛋白 1 （KEAP1） 和核因子红细胞 2 相关因子 2 （NRF2）。通过表达 KEAP1 和 NRF2，设计人类细胞可以控制与含有合成抗氧化剂反应元件 （ARE） 的启动子相关的转基因的表达，以响应电刺激的 ROS 产生（图 6H）。DART 使用电池直流电促进人体细胞中电极介导的、时间和电压依赖性转基因表达。在一项概念验证研究中，他们使用 DART 来调节 T1DM 小鼠的胰岛素表达。用通电针灸针电极每天一次在 4.5 V DC 下刺激皮下植入的工程细胞 10 秒，产生了足够的胰岛素，减少了餐后血糖峰值并恢复正常血糖水平 （图 6H）。这项技术有潜力使可穿戴电子设备能够直接控制基因干预以实现个性化医疗。此外，同一团队还开发了一种多功能生物电子接口（VIBE），可通过电子接口检测受体-配体相互作用。VIBE 系统可以在生理相关浓度范围内准确分析肽激素，例如胰岛素和胰高血糖素样肽 -1 （GLP-1），从而产生输出电流。该接口在通过物联网进行的即时诊断和精准医疗方面具有潜在的应用前景。

其他可能有益于哺乳动物电遗传学的进展

合成生物学中的无细胞系统使完整细胞外的生化反应成为可能，利用细胞裂解物或纯化的成分来实现更大的灵活性、降低复杂性、实现快速原型制作、高通量筛选或更好的可及性。Luo 及其同事首创了酸/醛 ATP 循环（AAA 循环），以与无细胞转录/翻译系统兼容的方式将电能转化为具有最少生物成分的 ATP。在细菌系统中，基因表达和细胞行为的电遗传控制一直是人们长期追求的目标。Hirose 及其同事表明，电极电位影响细菌途径并可以提高生长产量。此外，应用于细菌的 PVDF 材料在机械刺激下会产生压电效应。基于氧化还原的电遗传系统已被广泛研究用于基因表达控制、CRISPR 的基因调控、生物电子通信、DNA 数据存储、小分子生产和分层反馈控制等。例如，电极产生的氧化还原信号促进活细胞和工程微生物网络之间的按需通信。这些进展预计将影响哺乳动物电遗传系统的未来设计和进化。

简而言之，电遗传学成为合成生物学的一个前沿领域，核心是通过电信号精确控制和调节细胞行为。通过将对电信号有反应的元件整合到遗传电路中，科学家可以设计出通过电子设备对细胞进行遗传和行为调控和监控的系统。这种方法具有快速响应、可扩展性、模块化、与外部设备无缝对接等诸多优势。电遗传学有望在生物工程、生物传感和生物计算领域实现广泛应用，预示着其将在生物技术和医疗保健领域带来创新性解决方案。

其他物理信号

除了已经讨论的物理信号之外，其他物理因素，如静水压力、辐射和重力，也被认为是合成生物学中基因表达谱和细胞行为的潜在调节剂。例如，Okamoto 及其同事发现高静水压可以上调小鼠胚胎干细胞的多能性基因表达。理解静水压如何维持或增强多能性可能会导致干细胞治疗和再生医学的进步。此外，对辐射诱导基因表达的研究表明，放疗在癌症治疗中的疗效还有提高的空间。例如，Katsura 等人证明低剂量辐射可以引发发育中人类神经类器官中的不稳定基因表达。在天体生物学中，空间微重力已被证明可以显著影响人类细胞的形态、增殖、分化和其他功能。因此，随着太空探索的进展，保护太空宇航员免受辐射和微重力影响的研究可能为地球上的医学和生物技术应用提供有用的见解。

结束语和未来展望

从生物医学干预的角度来看，精确按需调控细胞功能具有革命性意义。通过利用特定的物理信号来调节基因表达，为解决异常细胞行为引发的疾病（如神经系统疾病、癌症和代谢疾病）开辟了新的途径。这篇综述根据遗传工具对不同类型物理信号的反应对遗传工具进行分类，探讨了合成生物学领域可用于工程细胞的一系列物理控制的蛋白质表达和分泌系统。光遗传学利用光作为有效的刺激，将光敏蛋白整合到细胞中，实现基因表达的时空精确调节。光遗传学工具（如 ChR、BR 和 HR）已成为研究人员使用光来操控细胞过程的不可或缺的工具。与此同时，磁遗传学、热遗传学和声遗传学也已成为非侵入性控制细胞功能的多功能工具，在实验和临床环境中都具有重大前景。机械遗传学利用机械力调节基因表达以实现所需的生物学结果。此外，电遗传电路利用离子通道和受体赋予对电信号的敏感性，从而能够根据电来控制细胞活动。

我们在这里尝试系统地将不同的研究归类，但需要注意，这些分类并非是完全严格的，因为基于物理信号响应的遗传工具具有显著的相互关联和功能重叠。因此，许多研究可能属于多个类别，也反映了这些物理干预措施错综复杂且相互交织。物理干预的重叠性部分源自其基本相似性。例如，机械振动和超声波都可以激活如 MscL 和 Piezo1 的离子通道，这些通道对机械应力和形变做出反应，而不论刺激的来源，表明不同的物理信号可以汇集到相似的分子途径上。此外，通过磁场或超声波产生的热量来控制热敏蛋白质的方法仅在热源调控方式上有所不同。事实上，各种物理方法（包括光、磁、机械力、超声波和电）都可以产生热量，但在这篇综述中，我们仅将直接使用传统热源控制热敏蛋白质的研究归为热遗传学。如激光诱导加热，通过对热敏蛋白实现精确的热控制。同样，超声波能够诱导机械振动，激活机械敏感通路或产生局部热量来调节热敏蛋白，但当用于通过这些机制控制蛋白或细胞行为时，超声波被归类为声遗传学。最后，虽然需要电力来操作各种物理干预方法，但电遗传学侧重于直接在离子通道或受体上施加电流来调节蛋白质表达和细胞行为。

未来，物理信号诱导合成系统的应用有望彻底变革个性化医学、再生医学、治疗可穿戴设备、生物电子学和智能生物材料（参见未解决的问题）。然而，这些技术在临床转化和工业应用中仍然面临着巨大的挑战。具体来说，当前光遗传学面临的挑战（例如深层组织中有限的光穿透性）可以通过开发无线光源和近红外诱导的生物材料来解决，以实现更深层次、较小侵入性的应用。在磁遗传学中，不断发展的传感器可以直接响应磁场，而不需要有毒和免疫原性的纳米粒子或辅助因子，这将大大推进非侵入性基因技术的生物医学应用。热遗传学和声遗传学工具提供了非侵入性方法来操纵基因表达、细胞活动和生物体行为。未来的研究可能有助于开发可穿戴设备，该设备可以向特定身体部位提供精确的热和超声波刺激以达到治疗目的，有望治疗帕金森病、阿尔茨海默病、癫痫、抑郁症等疾病。机械遗传学可以通过提供模仿自然组织机械特性的生物材料和支架来加深我们对细胞对机械刺激的反应的理解，从而能够构建更敏感和特定的机械敏感离子通道和蛋白质，这可以重塑组织工程和再生领域。电遗传学与生物电子设备集成，可以实现闭环系统中生理过程的实时监测和调节，以进行治疗干预。此外，理解生物电在发育、再生和疾病过程中的作用可能为诊断和治疗提供新的见解。

物理信号诱导的遗传方法的一般局限性包括与免疫原性、生物相容性、可扩展性、长期效应、稳定性、技术复杂性等相关的问题。首先，外源蛋白质、纳米粒子或其他材料的引入可能触发免疫反应，导致炎症和排斥反应。依赖材料作为人类使用的介质，需要严格评估生物相容性和安全性，以避免不良影响。此外，由于将系统从小型动物模型扩展到人体的复杂性，可扩展性限制构成了重大障碍。标准化对于减轻因信号使用或强度变化而产生不可预测的结果至关重要。鉴于物理信号的相互关联性和对生物过程的影响，了解物理信号的基础机制至关重要。此外，长期疗效和稳定性也是临床可行性的关键考虑因素。患者反应固有的可变性强调需要个性化方法来优化治疗结果。此外，在临床和工业环境中实施这些物理信号诱导系统可能需要专业知识、复杂的设备和精确的递送工具。解决这些多方面的挑战需要科学家、工程师、临床医生和监管机构之间的跨学科合作，以促进物理信号诱导系统的顺利临床转化。

合成生物学、材料科学、工程学、生物工程、机器学习 （ML） 和人工智能 （AI） 的融合正在推动智能生物材料和混合系统的发展，以响应不同的物理信号。随着物联网的进步，智能材料有望在精准医疗中发挥至关重要的作用。支持物联网的健康监测设备将有助于实时跟踪患者的生命体征和慢性病状况。嵌入生物传感器和生物执行器的智能纺织品可用于电子可穿戴设备、医疗植入物和用于健康监测、健身跟踪和环境传感的软机器人。重要的是，机器学习和人工智能正在合成生物学的广泛领域得到应用（例如遗传分析、结构预测、药物发现和组织工程）。机器学习算法可以分析大规模生物数据集，发现传统方法难以识别的模式和机制，帮助预测、设计、建模，甚至创造出能够响应特定物理信号的新型蛋白质，用于生物医学目的。此外，机器学习和人工智能模型可以加快优化过程，并有望在不久的将来协助模拟设计电路的生物行为，以提高其效率和精度。通过克服当前的限制并结合这些领域的优势，我们可以创造创新的解决方案，提高我们的生活质量，改善医疗保健结果，并促进环境的可持续性。

原文链接：

https://www.cell.com/trends/biotechnology/fulltext/S0167-7799(24)00208-7

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