导读
关键字 背景 目前,合成生物学家正在将微生物细胞转化为“活”的器件,使之完成一些列有价值的任务,例如:生产药物、精细化学品和生物燃料、检测病原体和在体内释放治疗性分子。为了达到这个目的,他们让细胞符合人工分子机制,这种机制可以感知环境中的毒素、代谢水平和验证信号等一些列刺激。 这些合成生物学电路与电子电路非常相似,它们都可以处理信息和作出逻辑判定。之前,笔者也曾在《活细胞中的基因电路:可以进行复杂计算,治疗疾病》和《DNA计算机领域重要进展:DNA模拟电路进行数学运算》两篇文章中,分别介绍过美国麻省理工大学研制的合成生物学电路的运算方式、实现方式和应用领域,以及美国杜克大学研制的一种新型DNA计算机的工作方式和应用前景。 为了更直观的了解,大家可以参考下面的两张示意图,它们分别展示了合成生物学电路的逻辑与门和逻辑或门的示例。 (图片来源:维基百科) (图片来源:维基百科) 然而,与电子电路不同之处在于,这些生物电路必须通过细胞生产的分子部件来制造,且它们必须在每个细胞中拥挤且不断变化的环境中运行。 迄今为止,合成生物学电路只能感知少数信号,对于宿主细胞情况描述并不完整。合成生物学家们也在通过不同类型的分子形式,描述几个活动部件,例如DNA、RNA和蛋白质。这些分子必需通过查找、绑定以及在一起工作,感知和处理信号。识别相互配合良好的分子存在一定难度,因此新型生物电路的开发成为了一种旷日持久且经常不可预知的过程。 创新 最近,美国哈佛大学维斯生物启发工程研究所(Harvard's Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering )的团队展示了一种一体化的解决方案,它能够浸透核糖核酸或者RNA分子,感知多个信号且作出逻辑判定,精准地控制蛋白质生产。 如下图所示:与计算机科学家们使用逻辑语言进行编程的方式相似,该方案具有精准的与、或和非的逻辑判定。“核糖计算器件”(黄色)可以感知和解释细胞内的多个信号,并且指导核糖体(蓝色和绿色)生产不同的蛋白质。 (图片来源:哈佛大学维斯研究所) 该研究成果发表于《自然》杂志,该方案创造出了基因编码的RNA纳米器件,它可以展开史无前例的12路输入逻辑操作,精准调节大肠杆菌中的荧光报告基因的表达,并且只在遇到复杂的、用户指定的细胞内刺激时进行。
(图片来源:Alexander Green / 亚利桑那州立大学) 在这项研究中,Yin 的研究小组和维斯核心教员、论文合著者 James Collins 博士、Pam Silver博士一起展开了合作。Collins 也是麻省理工学院医学工程和科学和生物工程专业的教授;Silver 是哈佛医学院系统生物学院生物化学和系统生物学的教授。 技术
原则上,RNA“立足点开关”可以控制特定的蛋白质生产:当一个期望的互补性“触发器”RNA(它可以作为细胞自然的RNA的一部分)出现,且与“立足点开关”发生绑定时,发夹结构会被打开。只有到那时,细胞的核糖体才可以访问RNA,且生产出期望的蛋白质。
价值 这种可编程纳米器件有望使得研究人员构造出更加复杂的合成生物学电路,使他们能够有效地分析复杂的细胞环境,并且作出精准的反应。 这项研究的领头人、维斯研究所的核心教员、哈佛医学院系统生物学教授 Peng Yin博士说:
论文的共同第一作者、博士后研究员 Jongmin Kim 博士称:
参考资料 【1】https://wyss./programming-cells-with-computer-like-logic/ 【2】http://www./nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature23271.html?foxtrotcallback=true
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