共培養-倫敦帝國學院2016iGEM成果簡介
倫敦帝國學院2016年iGEM參賽隊伍的基本信息：
iGEM比賽年度：2016年
類別（Kind）：大學生（Collegiate）
組別（Section）：本科生組（undergraduate）
地區：歐洲
國家：英國
領域/板塊（track）：基礎研究進展（Foundational Advance）
倫敦帝國學院2016年iGEM參賽隊伍的獲獎情況：
全球決賽（Grand Prize）：冠軍（Grand Prize Winner）
單項獎（Award）：
最佳Wiki（Best Wiki）
最佳海報（Best Poster）
最佳教育與公共參與（Best Education & Public Engagement）
最佳新基礎部件（Best New Basic Part）
最佳基礎研究項目提名（Nominated for Best Foundational Advance Project）
最佳Wiki提名（Nominated for Best Wiki）
最佳海報提名（Nominated for Best Poster）
最佳綜合社會實踐提名（Nominated for Best Integrated Human Practices）
最佳建模提名（Nominated for Best Model）
最佳新基礎部件提名（Nominated for Best New Basic Part）
最佳新合成部件提名（Nominated for Best New Composite Part）
獎牌（Medal）：金獎（Golden Medal）
項目名稱：Ecolibrium, developing a framework for engineering co-cultures.
概述
共培養/複合培養（Co-culture）是讓不同類型的細胞一起生長。自然界中微生物是以群落（communities）形式存在的，在群落中它們形成了複雜的相互作用網路。共培養允許我們研究和利用這些天然的相互作用，引領我們進入多細胞合成生物學的新時代。共培養之所以困難，是因為不同類型的細胞有著不同的生長條件。細胞以不同的速率生長，一種類型會超過另一種類型，最終導致培養物中只剩下一種類型的細胞。我們的項目旨在開發一種技術，能夠讓不同類型的細胞穩定的共存，並保持其群落數量的比例恆定。
共培養有什麼用途？
在自然界中，微生物不是孤立存在的，而在複雜的生態系統中相互作用與協作的。這一點合成的生物系統目前還無法做到。可以工程化合成生態系統或者共培養物，不僅對於研究這些自然系統，而且對合成生物學的進步來說都是非常關鍵的。這項進展會使工程生物學產生基礎性的飛躍，將允許創造出能夠一起生長和工作的合成生物群落，釋放合成生物學多細胞工程的全部潛力。從可以創建基於微生物組（microbiome）
工程的無抗生素的人類疾病療法，和免化學物質的微生物肥料，到可重編程的動態生物材料，合成生態系統和共培養體系的工程化協作有潛力永久地改變我們使用生物學的方式。
共培養的應用領域
金融——使用大腸桿菌共培養物進行經濟系統的模擬。
我們最喜愛的應用共培養的想法是使用微生物群落對金融系統進行建模。我們查閱了很多的文獻，在進行研究後我們認為，自然系統的適應性過程可能揭示了精簡銀行間互連和保持多樣性的方法，從而避免發生全球金融危機。我們認為可以通過我們的G.E.A.R群體控制系統來模擬「大銀行」和」小銀行「的群體數量。這個人工群落（consortia）能被用於研究傷害是如何在一類群體（或節點）中通過系統傳播的。因此能夠系統的穩定性如何隨著多樣的功能而變化。
健康——微生物組工程
我們的身體中居住著大約100兆（10^14）個微生物，形成人類的微生物組（microbiome）。而且有證據顯示它們對我們的健康有著巨大的影響。例如，艱難梭菌（clostridium difficile）與全美國每年29000起的死亡事件有關。艱難梭菌是一種條件致病菌（opportunistic bacteria），在生態失調時（dysbiosis）會在你的腸道微生物群落中（gut microbiome）拓殖。因此我們認為可以用我們的系統來監控和調節微生物組的物種，並判斷他們是否處於健康的比例。如果不是的話，我們的系統可以通過藥物產生，或生長調節等方法產生響應讓其恢復健康的比例。
消費品——光塑生物材料
這個想法來自於我們皇家藝術學院的最終項目介紹。我們想設計一種有著讓人激動的特性的材料。所以我們設想了一種能被光塑形的全新材料。這種材料可以由兩類陽性和陰性趨光性細胞產生。這兩類細胞能夠產生一種粘合蛋白（adhesive protein），其可以讓細胞粘合聚集。通過規定陽性和陰性趨光細胞的比例我們能控制材料的厚度。不同群體的不同特性可以用於製作自定義的家用物品。
工業——空間站微生物工程
在閱讀了韋伯（Weber）的基於機載（太空船中）交戰與入侵的合成生態系統的論文後，我們想用我們的基因電路製作一種太空船中的人造健康微生物群落。這應該能夠作為一種可以顯示能夠通過機載系統進行感染（communicate）的微生物的試紙。共生微生物將會阻止病原細菌佔領飛船。然後我們的系統將保持宇航員和太空旅行者在外太空的旅途中的健康。
消費者自由裁量（consumer discretionary）——桌面生物反應器
我們設想了一種能夠以更可持續的方式來消費/生產益生菌（probiotics）的技術。用戶可以買一小瓶裝備有G.E.A.R系統的預混細胞，然後在他/她的迷你生物反應器中培養買來的細胞，就像在你的後院里種藥草和香料一樣。G.E.A.R系統能夠控制細胞的比例，允許以期望的比例生產益生菌。
能源——生物燃料生產
有著降解纖維素和木質素能力的細菌群落能夠更高效地生產生物燃料。通過在不同的細胞中將纖維素降解和生物燃料生產的任務分開，我們可以提高生物燃料的產量。
材料——生物3D印表機
天然材料，比如皮膚，有著錯綜複雜的材料和結構特性，人造材料很難模仿。我們能夠用微生物作為生物3D印表機，以製造有這些特別特性的材料。使用我們的微生物群落，能夠在顯微水平下3D列印合成材料。不同的材料特性能被不同的菌群數量比例控制。
效用——微生物燃料細胞（microbial fuel cells）
微生物燃料細胞能處理廢水並同時產生能源。我們能夠將硫還原土壤桿菌（Geobacter sulfurreducens）和大腸桿菌群落作為更高效的微生物燃料細胞。硫還原土壤桿菌在厭氧條件下（anearobic）工作得最好。大腸桿菌清除對於硫還原土壤桿菌有毒性的氧氣，使得有氧條件下（aerobic）可以實現MFC操作。但是由大腸桿菌產生的琥珀酸（succinate）降低了燃料細胞的效率。我們可以控制大腸桿菌和硫還原土壤桿菌的比例來最優化氧氣的清除，並最大化能量產生，同時將琥珀酸的產生降至最低。
通信——基於細菌的通信系統
納米設備正在被開發用作一種診斷和治療的工具。需要一種納米尺度的傳輸系統讓這些設備之間交換信息。通過DNA轉移信息來使用細菌作為通信系統。細菌通過趨化性（chemotaxis）在節點之間移動。數量控制可以被用來阻止細菌攜帶同樣的信息而使節點過載。在網路理論（圖論）中，我們的細菌表現的像邊（edge）並通過調整比例你能夠這些邊的強度。我們能夠得到一個納米設備間的複雜通信網路。
信息技術，導電生物膜
有可控電子性質的導電生物材料，可應用於具有生物兼容性、低成本的電子設備中。菌毛蛋白（pilin）納米絲（nanofilament），也叫微生物納米絲（microbal nanowires），是一類能夠在細菌沉澱中找到的纖維蛋白。由來自於硫還原土壤桿菌的菌毛做成的生物膜顯示出了導電性。通過調節硫還原土壤桿菌和其它微生物物種的比例，你能夠調節生物膜的導電性。
為什麼我們現在還不能使用共培養？
為了了解為什麼大多數實驗室不使用共培養，我們參觀了倫敦帝國學院的合成生物學中心。我們了解到許多的研究者發現太難控制條件以讓多類型的細胞共存。不同的細胞類型在不同的條件下長得最好，而且少有已經確立的操作規程（protocol）準確的告訴你怎樣才能讓它們一起生長。如果條件沒有小心的維持平衡，一種細胞類型會趨向競爭另一種。目前，是通過各種群體控制方法，例如營養缺陷型交連反饋（auxotrophic）和毒素-抗毒素系統來解決這個問題。但是目前，這些技術既不穩定，也無法直接用於不同的生物中，也不允許對不同的細胞群體進行精確的比例控制。
我們在做什麼？
我們已經開始製作一個可以對共培養物進行比例控制的基因電路，這可以讓未來的合成生物學家實現合成生態系統的完全的潛力。
我們的包含三個模塊的全部電路圖
我們基因電路採用了三個模塊。第一個是通信模塊，它使用兩種正交群體感應系統，讓大腸桿菌不僅能檢測它們自身的群落密度，而且能夠檢測其它種群的群落密度。
為了讓不同的群體感應系統能應用在電路中，我們選擇使用四種可能的系統：Las，Rhl，Lux，和Cin。Las，Rhl和Lux是轉錄激活因子，LasR，RhlR和LuxR在生物磚註冊庫中很少被完整的表徵。不過，Cin轉錄激活因子有被表徵。
結果，LasR，RhlR和LuxR的交連通信表徵（crosstalk characterization）沒有包含Cin 3O-C14信號分子（AHL）。因此，為了進一步表徵這些部件，我們進行了與Cin 3O-C14 AHL的交連通信實驗。此外，CinR的一個部件在註冊庫中並不存在，它有一個LVA標籤，且沒有被表徵。因此我們作了一個沒有LVA標籤的CinR的新部件，對其進行表徵，並進行了Las，Rhl和Lux信號分子與CinR的交互通信實驗。
我們的第二個模塊，比較模塊，將群體感應信號與RNA邏輯電路連接在一起，這樣細菌可以將它們自己的群體數量與其它細胞系的群體數量進行比較。
最後的模塊是生長調節模塊，它可以讓我們的細胞系對比較模塊中繼的信號做出響應。如果它的群體數量太大，一種生長抑制蛋白會被表達，讓種群的比例再次平衡。
除了電路，我們還開發了一個軟體工具，A.L.I.C.E，它能幫助科學家設計他們自己的共培養實驗。我們和其它的iGEM隊伍一起做了A.L.I.C.E的初步數據。我們的項目旨在提供一個框架，促進合成生物學和微生物群落研究中共培養的使用。
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