活细胞中的基因电路可以执行复杂的计算
活细胞能够对它们遇到的环境信号进行复杂的计算。这些计算本质上可以是连续的或类似的 - 眼睛适应光照水平逐渐变化的方式。它们也可以是数字化的,涉及简单的开启或关闭过程,例如细胞开始自己的死亡。相反,合成生物系统倾向于关注模拟或数字处理,限制了它们可以使用的应用范围。
但现在,麻省理工学院的一个研究小组开发了一种技术,将模拟和数字计算整合到活细胞中,使它们能够形成能够进行复杂处理操作的基因电路。在今天发表在Nature Communications杂志上的论文中提出的合成电路能够测量模拟输入的水平,例如与疾病相关的特定化学物质,并决定水平是否在正确的范围内开启输出,例如治疗疾病的药物。
根据电气工程和计算机科学与生物工程副教授,合成生物学负责人Timothy Lu的说法,他们就像电子设备一样,称为比较器,它采用模拟输入信号并将其转换为数字输出。麻省理工学院电子研究实验室小组,与前微生物学博士生雅各布鲁本斯一起领导该研究。
“合成生物学的大部分工作都集中在数字方法上,因为[数字系统]更容易编程,”Lu说。然而,由于数字系统基于诸如0或1的简单二进制输出,执行复杂的计算操作需要使用大量部件,这在合成生物系统中难以实现。
“数字基本上是一种计算方式,你可以从非常简单的部分获得智能,因为每个部分只做一件非常简单的事情,但当你把它们放在一起时,你会得到一些非常聪明的东西,”Lu说。“但这要求你能够将这些部件中的许多部分放在一起,而生物学中的挑战,至少目前,就是你无法在一块硅片上组装数十亿个晶体管,”他说。
研究人员开发的混合信号装置基于多种元素。阈值模块由检测特定化学品的模拟水平的传感器组成。
该阈值模块控制第二组分即重组酶基因的表达,该第二组分又可以通过反转来打开或关闭DNA片段,从而将其转换成数字输出。
如果化学物质的浓度达到一定水平,则阈值模块表达重组酶基因,使其翻转DNA片段。该DNA片段本身含有基因或基因调控元件,然后改变所需输出的表达。
“这就是我们采用模拟输入的方式,例如化学物质的浓度,并将其转换为0或1信号,”Lu说。“一旦完成,并且你有一块可以颠倒翻转的DNA,那么你可以把任何这些DNA片段放在一起进行数字计算,”他说。
该团队已经建立了一个模拟 - 数字转换器电路,该电路实现了三元逻辑,这种器件只能响应输入的高或低浓度范围而接通,并且能够产生两个不同的输出。
他说,未来,该电路可用于检测血液中的葡萄糖水平,并根据浓度以三种方式之一作出反应。
“如果葡萄糖水平太高,你可能希望你的细胞产生胰岛素,如果葡萄糖太低,你可能希望它们制造胰高血糖素,如果它在中间,你就不希望它们做任何事情,”他说。
Lu说,类似的模数转换器电路也可用于检测各种化学物质,只需更换传感器即可。
研究人员正在研究使用模拟 - 数字转换器来检测炎症性肠病引起的肠道炎症水平的想法,以及释放不同量的药物作为反应。
用于癌症治疗的免疫细胞也可以被设计用于检测不同的环境输入,例如氧气或肿瘤溶解水平,并且响应地改变它们的治疗活性。
其他研究小组也对将这些设备用于环境应用感兴趣,例如检测水污染物浓度的工程细胞,Lu说。
研究小组最近创建了一家名为Synlogic的衍生公司,该公司现在正试图使用简单版本的电路来设计可以治疗肠道疾病的益生菌。
该公司希望在未来12个月内开始对这些基于细菌的治疗进行临床试验。
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