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科学家借用电子设备在活细胞中建立电路

2019-06-20 09:25:59 • 来源：

活细胞必须不断处理信息，以跟踪周围不断变化的世界，并做出适当的反应。经过数十亿年的反复试验，演化已经达到了细胞层面的信息处理模式。在运行我们的计算机的微芯片中，信息处理功能将数据减少到明确的零和一。在细胞中，并不是那么简单。DNA，蛋白质，脂质和糖以复杂和分隔的结构排列。

科学家借用电子设备在活细胞中建立电路

但科学家们希望利用细胞的潜力作为能够应对疾病的生物计算机，有效地生产生物燃料或开发基于植物的化学物质 - 不想等待进化来制造他们想要的细胞系统。

在5月25日发表在Nature Communications上的一篇新论文中，一组华盛顿大学合成生物学研究人员展示了一种新的活细胞数字信息处理方法，类似于电路中使用的逻辑门。他们构建了一组合成基因，这些基因在像NOR门这样的细胞中起作用，常用于电子学，每个基因都接受两个输入，只有当两个输入均为负时才传递正信号。NOR门在功能上是完整的，这意味着可以将它们组装成不同的布置以制造任何类型的信息处理电路。

UW工程师使用DNA而不是硅和焊料，以及酵母细胞而不是电子工作台来完成所有这些工作。研究人员建立的电路是迄今为止在欧洲核细胞中发表的最大的电路，与人类细胞一样，它包含一个核和其他结构，可以实现复杂的行为。

“虽然在细胞中实施简单程序永远无法与硅计算的速度或准确性相媲美，但遗传程序可以直接与细胞环境相互作用，”资深作者和威斯康星大学电气工程教授Eric Klavins说。“例如，患者中的重编程细胞可以在最相关的组织中做出有针对性的治疗决策，从而无需复杂的诊断和广谱治疗方法。”

每个细胞NOR门由一个基因组成，该基因具有三个可编程的DNA-2段作为输入，一个作为输出。然后，作者利用一种名为CRISPR-Cas9的相对较新的技术来靶向细胞内的特定DNA序列。Cas9蛋白质就像电路中的分子守门员，坐在DNA上并确定特定的门是否有效。

如果门是活动的，它表示一个信号，指示Cas9停用电路中的另一个门。通过这种方式，研究人员可以将门“连线”在一起，在细胞中创建逻辑程序。

研究人员表示，研究与以往工作的不同之处在于成功组装的电路的规模和复杂性 - 其中包括多达7个串联或并联组装的NOR门。

在这种尺寸下，电路可以通过从不同的环境传感器获取信息并执行计算来确定正确的响应，从而开始执行真正有用的行为。想象的应用包括可以感知和响应癌症标记或细胞生物传感器的工程化免疫细胞，可以轻松诊断患者组织中的传染病。

研究人员表示，细胞内的这些大型DNA电路是实现活细胞编程能力的重要一步。它们提供了一个框架，可以轻松实现逻辑程序以控制细胞功能和状态。

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