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        科學(xué)家借用電子設(shè)備在活細(xì)胞中建立電路
        
			
        
				2019-06-20 09:25:59
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        活細(xì)胞必須不斷處理信息，以跟蹤周?chē)粩嘧兓氖澜?，并做出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的反復(fù)試驗(yàn)，演化已經(jīng)達(dá)到了細(xì)胞層面的信息處理模式。在運(yùn)行我們的計(jì)算機(jī)的微芯片中，信息處理功能將數(shù)據(jù)減少到明確的零和一。在細(xì)胞中，并不是那么簡(jiǎn)單。DNA，蛋白質(zhì)，脂質(zhì)和糖以復(fù)雜和分隔的結(jié)構(gòu)排列。
        

        科學(xué)家借用電子設(shè)備在活細(xì)胞中建立電路
        

        但科學(xué)家們希望利用細(xì)胞的潛力作為能夠應(yīng)對(duì)疾病的生物計(jì)算機(jī)，有效地生產(chǎn)生物燃料或開(kāi)發(fā)基于植物的化學(xué)物質(zhì) - 不想等待進(jìn)化來(lái)制造他們想要的細(xì)胞系統(tǒng)。
        

        在5月25日發(fā)表在Nature Communications上的一篇新論文中，一組華盛頓大學(xué)合成生物學(xué)研究人員展示了一種新的活細(xì)胞數(shù)字信息處理方法，類(lèi)似于電路中使用的邏輯門(mén)。他們構(gòu)建了一組合成基因，這些基因在像NOR門(mén)這樣的細(xì)胞中起作用，常用于電子學(xué)，每個(gè)基因都接受兩個(gè)輸入，只有當(dāng)兩個(gè)輸入均為負(fù)時(shí)才傳遞正信號(hào)。NOR門(mén)在功能上是完整的，這意味著可以將它們組裝成不同的布置以制造任何類(lèi)型的信息處理電路。
        

        UW工程師使用DNA而不是硅和焊料，以及酵母細(xì)胞而不是電子工作臺(tái)來(lái)完成所有這些工作。研究人員建立的電路是迄今為止在歐洲核細(xì)胞中發(fā)表的最大的電路，與人類(lèi)細(xì)胞一樣，它包含一個(gè)核和其他結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的行為。
        

        “雖然在細(xì)胞中實(shí)施簡(jiǎn)單程序永遠(yuǎn)無(wú)法與硅計(jì)算的速度或準(zhǔn)確性相媲美，但遺傳程序可以直接與細(xì)胞環(huán)境相互作用，”資深作者和威斯康星大學(xué)電氣工程教授Eric Klavins說(shuō)。“例如，患者中的重編程細(xì)胞可以在最相關(guān)的組織中做出有針對(duì)性的治療決策，從而無(wú)需復(fù)雜的診斷和廣譜治療方法。”
        

        每個(gè)細(xì)胞NOR門(mén)由一個(gè)基因組成，該基因具有三個(gè)可編程的DNA-2段作為輸入，一個(gè)作為輸出。然后，作者利用一種名為CRISPR-Cas9的相對(duì)較新的技術(shù)來(lái)靶向細(xì)胞內(nèi)的特定DNA序列。Cas9蛋白質(zhì)就像電路中的分子守門(mén)員，坐在DNA上并確定特定的門(mén)是否有效。
        

        如果門(mén)是活動(dòng)的，它表示一個(gè)信號(hào)，指示Cas9停用電路中的另一個(gè)門(mén)。通過(guò)這種方式，研究人員可以將門(mén)“連線(xiàn)”在一起，在細(xì)胞中創(chuàng)建邏輯程序。
        

        研究人員表示，研究與以往工作的不同之處在于成功組裝的電路的規(guī)模和復(fù)雜性 - 其中包括多達(dá)7個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)組裝的NOR門(mén)。
        

        在這種尺寸下，電路可以通過(guò)從不同的環(huán)境傳感器獲取信息并執(zhí)行計(jì)算來(lái)確定正確的響應(yīng)，從而開(kāi)始執(zhí)行真正有用的行為。想象的應(yīng)用包括可以感知和響應(yīng)癌癥標(biāo)記或細(xì)胞生物傳感器的工程化免疫細(xì)胞，可以輕松診斷患者組織中的傳染病。
        

        研究人員表示，細(xì)胞內(nèi)的這些大型DNA電路是實(shí)現(xiàn)活細(xì)胞編程能力的重要一步。它們提供了一個(gè)框架，可以輕松實(shí)現(xiàn)邏輯程序以控制細(xì)胞功能和狀態(tài)。
        
			

			
          
        
			
        
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