合成生物學(xué)允許研究人員對細胞進行編程以執(zhí)行新功能，例如響應(yīng)特定化學(xué)物質(zhì)發(fā)熒光或產(chǎn)生響應(yīng)疾病標記的藥物。為了設(shè)計更復(fù)雜的蜂窩電路，麻省理工學(xué)院的工程師現(xiàn)在已經(jīng)編程了單元來記憶和響應(yīng)一系列事件。

研究人員說，這些細胞能夠以正確的順序記住多達三種不同的輸入，但這種方法應(yīng)該是可擴展的，以包含更多的刺激。使用該系統(tǒng)，科學(xué)家可以跟蹤以特定順序發(fā)生的細胞事件，創(chuàng)建存儲復(fù)雜歷史的環(huán)境傳感器，或編程細胞軌跡。“如果將內(nèi)存元素與計算結(jié)合在一起，就可以構(gòu)建非常復(fù)雜的計算系統(tǒng)，” 電子工程與計算機科學(xué)與生物工程副教授，麻省理工學(xué)院研究實驗室合成生物學(xué)組負責(zé)人Timothy Lu說。電子產(chǎn)品。

這種方法允許科學(xué)家創(chuàng)建生物“狀態(tài)機” - 存在于不同狀態(tài)的設(shè)備，這取決于它們接收的輸入的身份和順序。研究人員還創(chuàng)建了軟件，幫助用戶設(shè)計實現(xiàn)具有不同行為的狀態(tài)機的電路，然后可以在單元中進行測試。

Lu是這項新研究的資深作者，該研究發(fā)表在7月22日的“ 科學(xué)”雜志上。麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)研究生納撒尼爾·羅凱特是論文的第一作者。該論文的其他作者包括電氣工程和計算機科學(xué)副教授Scott Aaronson，麻省理工學(xué)院最近的畢業(yè)生Ava Soleimany，以及最近的韋爾斯利學(xué)院畢業(yè)生Alyssa Ferris。

長期記憶

2013年，Lu及其同事設(shè)計了可以執(zhí)行邏輯功能的單元電路，然后通過在其DNA中編碼來存儲事件的存儲器。

他們在新論文中設(shè)計的狀態(tài)機電路依賴于稱為重組酶的酶。當(dāng)通過細胞中的特定輸入激活時，例如化學(xué)信號，重組酶可以刪除或反轉(zhuǎn)特定的DNA片段，這取決于稱為識別位點的兩個DNA靶序列的方向。這些位點之間的DNA段可能包含響應(yīng)不同輸入的其他重組酶的識別位點。如果稍后激活第二種或第三種重組酶，翻轉(zhuǎn)或刪除這些位點會改變DNA會發(fā)生什么。因此，可以通過對其DNA進行測序來確定細胞的歷史。

在該系統(tǒng)的最簡單版本中，只有兩個輸入，電路有五種可能的狀態(tài)：狀態(tài)既不對應(yīng)輸入，也不對應(yīng)輸入A，僅對輸入B，A對應(yīng)B，B對應(yīng)A。研究人員還設(shè)計和構(gòu)建的電路記錄三個輸入，其中16個狀態(tài)是可能的。

在這項研究中，研究人員對大腸桿菌細胞進行編程，以響應(yīng)實驗室實驗中常用的物質(zhì)，包括ATc(抗生素四環(huán)素的類似物)，一種叫做阿拉伯糖的糖和一種叫做DAPG的化學(xué)物質(zhì)。然而，對于醫(yī)學(xué)或環(huán)境應(yīng)用，重組酶可以被重新設(shè)計以響應(yīng)其他條件，例如酸度或特定轉(zhuǎn)錄因子(控制基因表達的蛋白質(zhì))的存在。

基因控制

在創(chuàng)建了可記錄事件的電路后，研究人員隨后將基因與遺傳調(diào)控元件一起納入重組酶結(jié)合位點陣列。在這些電路中，當(dāng)重組酶重排DNA時，電路不僅記錄信息，還控制哪些基因打開或關(guān)閉。

研究人員用三種基因測試了這種方法，這三種基因編碼不同的熒光蛋白 - 綠色，紅色和藍色，構(gòu)建了一個電路，表示熒光蛋白的不同組合，用于每個身份和兩個輸入的順序。例如，當(dāng)攜帶該電路的電池接收輸入A然后輸入B時，它們發(fā)出紅色和綠色熒光，而在A發(fā)出紅色和藍色熒光之前接收到B的電池。

Lu的實驗室現(xiàn)在希望使用這種方法來研究由一系列事件控制的細胞過程，例如細胞因子或其他信號分子的出現(xiàn)，或某些基因的激活。

“我們不僅可以記錄和響應(yīng)生物事件的組合，而且還可以記錄它們的命令，這一想法開辟了許多潛在的應(yīng)用。關(guān)于哪些因素調(diào)節(jié)特定細胞類型的分化或?qū)е履承┘膊〉倪M展，我們知道很多，但對這些因素的時間組織知之甚少。這是我們希望通過我們的設(shè)備深入研究的領(lǐng)域之一，“Roquet說。

例如，科學(xué)家可以利用這種技術(shù)跟蹤干細胞或其他未成熟細胞的軌跡，進入分化的成熟細胞類型。他們還可以跟蹤癌癥等疾病的進展。最近的一項研究表明，獲得致癌突變的順序可以決定疾病的行為，包括癌細胞如何對藥物產(chǎn)生反應(yīng)并發(fā)展成腫瘤。此外，工程師可以使用此處開發(fā)的狀態(tài)機平臺來編程細胞功能和分化途徑。