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        活細胞中的基因電路可以執(zhí)行復雜的計算
        
			
        
				2019-01-21 15:24:54
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        活細胞能夠對它們遇到的環(huán)境信號進行復雜的計算。這些計算本質上可以是連續(xù)的或類似的 - 眼睛適應光照水平逐漸變化的方式。它們也可以是數(shù)字化的，涉及簡單的開啟或關閉過程，例如細胞開始自己的死亡。相反，合成生物系統(tǒng)傾向于關注模擬或數(shù)字處理，限制了它們可以使用的應用范圍。
        

        活細胞中的基因電路可以執(zhí)行復雜的計算
        

        但現(xiàn)在，麻省理工學院的一個研究小組開發(fā)了一種技術，將模擬和數(shù)字計算整合到活細胞中，使它們能夠形成能夠進行復雜處理操作的基因電路。在今天發(fā)表在Nature Communications雜志上的論文中提出的合成電路能夠測量模擬輸入的水平，例如與疾病相關的特定化學物質，并決定水平是否在正確的范圍內開啟輸出，例如治療疾病的藥物。
        

        根據(jù)電氣工程和計算機科學與生物工程副教授，合成生物學負責人Timothy Lu的說法，他們就像電子設備一樣，稱為比較器，它采用模擬輸入信號并將其轉換為數(shù)字輸出。麻省理工學院電子研究實驗室小組，與前微生物學博士生雅各布魯本斯一起領導該研究。
        

        “合成生物學的大部分工作都集中在數(shù)字方法上，因為[數(shù)字系統(tǒng)]更容易編程，”Lu說。然而，由于數(shù)字系統(tǒng)基于諸如0或1的簡單二進制輸出，執(zhí)行復雜的計算操作需要使用大量部件，這在合成生物系統(tǒng)中難以實現(xiàn)。
        

        “數(shù)字基本上是一種計算方式，你可以從非常簡單的部分獲得智能，因為每個部分只做一件非常簡單的事情，但當你把它們放在一起時，你會得到一些非常聰明的東西，”Lu說。“但這要求你能夠將這些部件中的許多部分放在一起，而生物學中的挑戰(zhàn)，至少目前，就是你無法在一塊硅片上組裝數(shù)十億個晶體管，”他說。
        

        研究人員開發(fā)的混合信號裝置基于多種元素。閾值模塊由檢測特定化學品的模擬水平的傳感器組成。
        

        該閾值模塊控制第二組分即重組酶基因的表達，該第二組分又可以通過反轉來打開或關閉DNA片段，從而將其轉換成數(shù)字輸出。
        

        如果化學物質的濃度達到一定水平，則閾值模塊表達重組酶基因，使其翻轉DNA片段。該DNA片段本身含有基因或基因調控元件，然后改變所需輸出的表達。
        

        “這就是我們采用模擬輸入的方式，例如化學物質的濃度，并將其轉換為0或1信號，”Lu說。“一旦完成，并且你有一塊可以顛倒翻轉的DNA，那么你可以把任何這些DNA片段放在一起進行數(shù)字計算，”他說。
        

        該團隊已經(jīng)建立了一個模擬 - 數(shù)字轉換器電路，該電路實現(xiàn)了三元邏輯，這種器件只能響應輸入的高或低濃度范圍而接通，并且能夠產(chǎn)生兩個不同的輸出。
        

        他說，未來，該電路可用于檢測血液中的葡萄糖水平，并根據(jù)濃度以三種方式之一作出反應。
        

        “如果葡萄糖水平太高，你可能希望你的細胞產(chǎn)生胰島素，如果葡萄糖太低，你可能希望它們制造胰高血糖素，如果它在中間，你就不希望它們做任何事情，”他說。
        

        Lu說，類似的模數(shù)轉換器電路也可用于檢測各種化學物質，只需更換傳感器即可。
        

        研究人員正在研究使用模擬 - 數(shù)字轉換器來檢測炎癥性腸病引起的腸道炎癥水平的想法，以及釋放不同量的藥物作為反應。
        

        用于癌癥治療的免疫細胞也可以被設計用于檢測不同的環(huán)境輸入，例如氧氣或腫瘤溶解水平，并且響應地改變它們的治療活性。
        

        其他研究小組也對將這些設備用于環(huán)境應用感興趣，例如檢測水污染物濃度的工程細胞，Lu說。
        

        研究小組最近創(chuàng)建了一家名為Synlogic的衍生公司，該公司現(xiàn)在正試圖使用??簡單版本的電路來設計可以治療腸道疾病的益生菌。
        

        該公司希望在未來12個月內開始對這些基于細菌的治療進行臨床試驗。
        
			

			
          
        
			
        
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