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研究人员致力于按需进化 使细胞能够发挥特定的有益功能

2019-01-15 14:38:12 • 来源：

在右手中，钢琴上的88键提供无限的创作可能性。对于有才能的生物工程师来说，人类基因组的分子同样能够实现极大复杂性和创造性的组合。一位在音乐和基因工程方面表现出色的加州大学欧文科学家认为，他已经在生物体细胞中发现了自己的缪斯。“目前在科学领域最令人兴奋的是生物学，”UCI生物医学工程助理教授Chang Liu说。“这是一个未征服的边界。”

研究人员致力于按需进化 使细胞能够发挥特定的有益功能

对刘来说，魅力来自两个角度：探索生命科学中未知的界限，发现如何利用生物材料在分子和遗传尺度上建立新的结构。这个目标是学习如何将细胞，DNA和RNA，酶，氨基酸和蛋白质分开并重新组装，就像一个让他在UCI的Henry Samueli工程学院获得一席之地的粘性安装工具。

“我最初是通过UCI多学科复杂生物系统中心的搜索来到这里的，”刘说。“由于我在遗传学方面的工作，我与Samueli学校相匹配，许多人认为这是工程领域的前沿。” 他现在在UCI的自然科学II大楼里经营一个实验室，拥有六个博士学位。学生，三名博士后学者，两名实验技师和两名本科生。

亚利桑那州图森市人在哈佛大学获得化学学士学位，但科学并不是他从西南到马萨诸塞州剑桥的主要原因。

“我当时认真对待音乐和音乐会钢琴演奏，我和一位非常着名的钢琴家，音乐学家和哈佛音乐理论家进行了试镜，”在一个科学家和业余音乐家家庭长大的刘说。“他一次只指导两三个学生，如果我在那里攻读本科学位，他就提议带我上学。”

除了音乐，刘还深入研究化学和物理。他继续从加利福尼亚州拉霍亚的斯克里普斯研究所获得前者的博士学位。“这段时间对我来说至关重要，”他说，“因为它向我展示了理解化学是如何在回答生物问题的服务。“

现在刘和他的实验室伙伴正在尝试使用一种新的生物学研究方法来设计具有新能力的细胞，称为定向进化，这是一种用于蛋白质工程的方法，模拟自然选择过程，使蛋白质或核酸向用户发展 - 确定的目标。

“我们实验室的一个更大的主题是试图设计可以处理和传递信息的遗传系统，”他说。虽然DNA的作用是存储和传播信息，但它实际上并没有“在细胞水平上执行功能”，他指出。相反，指令从DNA转录为RNA并转化为蛋白质，蛋白质是功能更强的分子。

刘和他的同事们正在努力探索这个过程的底层，看看他们是否可以随意进化基因组以执行诸如攻击患病细胞和促进健康细胞等所需的行动。

遗传学研究人员倾向于对这个系统产生一定程度的尊重和钦佩，这个系统已经使人们不断发展到现在的状态。刘说，基因组基于一组惰性化学物质，这些化学物质在几十亿年前就已经排好了，因此不可能只是进入并重新排列分子。如果将反应性化学物质引入遗传密码，“串扰”会导致细胞死亡。

刘的实验室通过开发一种称为正交DNA复制的技术即兴解决了这个问题，其中宿主的遗传密码通过插入同一细胞内的工程化遗传密码得到增强。

“我们基本上将反应性和化学特权群体安装到通常不存在的遗传密码中，这样我们就可以制造更好的治疗方法，”刘说。换句话说，他的团队已经学会了如何使用辅助复制系统来创建细胞，这种酶与一片DNA一起工作，这些DNA生活在同一个细胞中，但独立于细胞的基因组。

这使刘和他的同事能够在实验室中以非常快的速度对基因进行实验 - 目标是使细胞完成有益的任务。“我们的许多项目正在研究如何以一定的速率对细胞进行实验，以确定在实验室的时间尺度而不是在自然生物世界中发生进化，”他说。

这些努力引起了UCI以外研究领域领导者的关注。

“刘翔的工作将发挥重要作用，因为该领域从基因编辑转向实际构成新基因。定向进化是作曲家的缪斯和编辑的结合，”加利福尼亚州化学工程，生物工程和生物化学的狄金森教授Frances Arnold说。技术研究所。“Chang拥有一个大胆而富有创造性的视野，以现实和工程师完成工作的能力为条件。”

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