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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
        
			
        
				2018-12-28 10:10:39
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			  來(lái)源：
			
        
		
        
				
		
        
			
        活細(xì)胞必須不斷處理信息，以跟蹤周圍不斷變化的世界并得出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的反復(fù)試驗(yàn)，進(jìn)化已經(jīng)達(dá)到了細(xì)胞水平的信息處理模式。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，并非如此簡(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)胞的潛力作為可以應(yīng)對(duì)疾病的生物計(jì)算機(jī)，有效地生產(chǎn)生物燃料或開發(fā)基于植物的化學(xué)品 - 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，一個(gè)由UW合成生物學(xué)研究人員組成的研究小組展示了一種在活細(xì)胞中進(jìn)行數(shù)字信息處理的新方法，類似于電路中使用的邏輯門。他們構(gòu)建了一組合成基因，這些基因在像NOR門這樣的細(xì)胞中起作用，通常用于電子學(xué)中，每個(gè)基因都接受兩個(gè)輸入，只有當(dāng)兩個(gè)輸入都為負(fù)時(shí)才傳遞正信號(hào)。NOR門在功能上是完整的，這意味著可以將它們組裝成不同的布置以制造任何類型的信息處理電路。
        

        UW工程師使用DNA代替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)單的程序永遠(yuǎn)無(wú)法與硅中計(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)雜的診斷和廣譜的治療方法。”
        

        每個(gè)細(xì)胞NOR門由一個(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員，坐在DNA上并確定特定的門是否有效。
        

        如果門是有效的，它表示一個(gè)信號(hào)，指示Cas9去激活電路中的另一個(gè)門。通過(guò)這種方式，研究人員可以將門“連線”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。
        

        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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