随着光遗传学进入10岁，人们很容易忘记这项技术并不局限于神经科学。事实上，精确的基于光的生物过程控制在其他领域非常有用，包括合成生物学。Addgene储户克里斯托弗·沃伊特和Jeffrey他泊自从2005年塔博尔在沃伊特的实验室工作以来，他们就一直致力于使大肠杆菌对光敏感。多年以后，塔博尔的实验室继续优化这些经典系统，使光控制的基因表达大肠杆菌更简单，更强大。
合成光生物学:为什么要用光?
在合成生物学和生物工程领域，科学家们寻求直接探索和建立新系统。这些目标需要直接激活和灭活生物过程的方法。由于一些原因，化学效应物并不理想，包括它们的潜在毒性和与其他途径的交叉反应性。由于这些效应器是可扩散的，它们也不适用于空间有限的研究，并且可以随着培养条件的变化而波动。
低强度光的使用解决了这些问题;像led这样的廉价工具可以被设计成提供精确、一致和可控的光脉冲。光强和波长的复杂图案可以用来研究动态过程。相反，不同的输入模式也可以用来设计具有复杂基因表达控制的新途径。大多数细胞类型对低强度光没有反应，因此脱靶效应应受到限制。
光敏色素是在某些细菌中发现的感光系统，但不是大肠杆菌．它们属于双组分系统(tss)的范畴。tss由组氨酸激酶组成，可磷酸化反应调节因子(RR)。tcs诱导的反应是不同的;一种结果是从给定的启动子定向转录。
为了利用光的力量，克里斯托弗·沃格特的实验室创造了第一个大肠杆菌光敏双组分系统（TCS）。Levskaya等人。从蓝藻到普通细菌的光敏域融合大肠杆菌组氨酸激酶。这种混合结构感知光，专性发色团允许系统对各种光输入作出反应。在远红光或黑暗的条件下，发色团通过磷酸化激活RR (OmpR)，促进转录(见下图)。随后暴露在红光下会迅速使系统失效。福格特的实验室用这个系统开发了细菌的相机可以打印出化学图像，也可以用遗传方法来解决计算问题边缘检测．他泊et al。随后设计了由绿光激活的第二光敏TCS;这两个系统可以共同表达，以实现对基因表达的复杂控制。
一种大肠杆菌光敏双组分系统（TCS）。混合组氨酸激酶/光传感器感知各种光输入，而专性发色团允许系统响应。在远红光或黑暗条件下，发色团通过磷酸化激活反应调节器，促进GFP报告基因的转录。随后暴露在红光下会迅速使系统失活。
这种远红光/红光响应系统的第1版分布在三种质粒上，响应调节器编码在基因组中。使系统体积更小，更易于与其他类型的大肠杆菌Schmidl等人将该系统浓缩成两个流线型质粒。
这些TCS的效用受到一些因素的限制。这些庞大的系统分布在许多质粒上，其中一个RR（ompR）染色体编码。泄漏也是一个问题；一些启动子活性持续处于非活性状态。动态范围被定义为“输出”信号的最低和最高水平之间的差异，仅为10倍左右，排除了在非常高或非常低水平上研究基因表达的可能性。
Schmidl等人。选择对这些系统进行优化，使其更加可调和用户友好。他们对各种成分的启动子强度进行了实验，去除了可能与其他途径串扰的可诱导启动子。它们还减少了系统泄漏，并将动态范围提高到100倍左右。这些改进将使研究人员能够根据输入光强度更好地微调输出基因表达水平。除了这些改进之外，结构也大大简化了；每个系统只需要两个质粒。
这些系统的应用
这些系统的大动态范围确保它们可以用于多种类型的蛋白质，包括Cas9和dCas9转录因子，低表达水平是最理想的。这些工具与许多产品兼容大肠杆菌，以及其他基于质粒的系统，这将使组装更大的系统成为可能。
Schmidl等人的工作也代表了优化tcs的一大步。在细菌中已经鉴定出超过75000个tcs，通过类似的优化方法，许多这样的系统可以适用于各种科学或工程应用。
参考文献
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