團隊推出雙通道生物函數(shù)發(fā)生器

專門研究合成生物學(xué)工具的萊斯大學(xué)生物工程師公布了他們的“生物功能發(fā)生器和生物示波器”的最新版本，這是一種利用光來激活和研究兩種生物電路的光遺傳平臺。

生物功能發(fā)生器和生物示波器是基因和硬件的工具包，使用彩色燈和工程細菌為遺傳電路設(shè)計世界帶來數(shù)學(xué)可預(yù)測性和切割和粘貼簡單性。

“不幸的是，所有的生物光傳感器都是'草率的'，因為它們往往會對多種顏色的光做出反應(yīng)，”萊斯生物工程副教授杰弗里塔博爾說。“我們已經(jīng)開發(fā)了一個詳細的數(shù)學(xué)模型來捕捉這種邋and并設(shè)計多色光信號來補償它，這樣兩個光傳感器就可以在同一個細胞中獨立控制。因為大多數(shù)控制生物行為的電路都由兩個或兩個組成。更多的基因，這項技術(shù)將使我們的實驗室和其他人更容易研究復(fù)雜的合成生物系統(tǒng)。“

該研究在最近的分子系統(tǒng)生物學(xué)論文中有所描述。

生命由基于DNA的電路控制。這些與智能手機和其他電子設(shè)備中的電路類似，主要區(qū)別在于：流經(jīng)電子電路的信息是電壓，流經(jīng)遺傳電路的信息是蛋白質(zhì)生產(chǎn)。遺傳電路可以接通或斷開產(chǎn)生蛋白質(zhì)或不產(chǎn)生蛋白質(zhì) - 并且它們可以被調(diào)諧以產(chǎn)生或多或少的蛋白質(zhì)，非常類似于來自電子電路的電壓可以升高或降低。

三年前在塔博爾實驗室首次創(chuàng)建的生物功能發(fā)生器和生物示波器顯示了類比的緊密程度。功能發(fā)生器和示波器，電氣工程實驗室的庫存組件超過50年，是可以將電壓信號饋入電路并顯示信號電壓如何隨電路內(nèi)其他位置隨時間變化的測試儀器。示波器屏幕通常顯示波形功能，并且可以一次繪制一個或多個信號。

生物電子儀器以完全相同的方式繪制生物電路的輸出。生物電路的輸入和輸出很輕。具體來說，Tabor的團隊開發(fā)了一種生物功能發(fā)生器，這是一組光激活基因，可用于打開和關(guān)閉基因，并在開啟時調(diào)節(jié)它們產(chǎn)生的蛋白質(zhì)含量。生物示波器包含另一組基因，它們?yōu)镈NA添加熒光標(biāo)簽以讀出電路響應(yīng)，這意味著產(chǎn)生的蛋白質(zhì)越多，樣品釋放的光就越多。

在新論文中，最近獲得博士學(xué)位。畢業(yè)生和主要作者Evan Olson及其同事使用Tabor實驗室開發(fā)的最新光學(xué)硬件和軟件工具以及生物功能發(fā)生器輸出的新數(shù)學(xué)模型測試了新的雙功能工具。

“該模型允許我們預(yù)測輸出基因表達對任何光輸入信號的響應(yīng)，無論光信號的強度或光譜組成如何隨時間變化，”Olson說。“該模型的工作原理是描述任何波長和強度的光如何在'開'或'關(guān)'狀態(tài)下轉(zhuǎn)換成一組光傳感器。”

奧爾森說他們在兩個概念驗證實驗中證明了這個系統(tǒng)。在第一個中，他們表明系統(tǒng)可以補償“微擾”信號，來自顯微鏡或熒光成像器的入射光，否則可能會干擾進入的光遺傳信號。在第二種方法中，他們通過在同一細菌中的兩個光遺傳學(xué)循環(huán)中同時驅(qū)動兩個獨立的基因表達信號來證明多重控制。生物示波器的輸出顯示紅線和綠線兩個功能。研究人員表明他們可以激活遺傳電路以產(chǎn)生平滑波和階梯圖案，他們表明這兩個電路可以同時或在不同時間接通。

塔博爾說：“這種多路復(fù)用方法能夠進行全新一代的實驗，用于表征和控制生物電路，這些生物電路整合多種信號，并且在生物網(wǎng)絡(luò)中無處不在，特別是那些用于決策和發(fā)展過程的信號。”

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