科學家讓工程細胞執行布爾邏輯門
日期:2012-06-05 07:59:47
據報道,最近,美國約翰·霍普金斯大學通過基因工程對一種細胞進行改造,改造后的細胞就像表達“或(or)”和“與(and)”的布爾邏輯門,能根據一個或多個確定輸入產生一個相應輸出。研究人員指出,這一成果有望幫助科學家最終造出用細胞做微線路的計算機。相關論文發表在最近出版的《自然—化學生物學》上。
該研究領導、霍普金斯大學醫學院細胞生物學副教授井上尊生(音譯)說,布爾邏輯門中,“與”門是根據兩個確定輸入值得到一個輸出值;“或”門是根據是否在兩個輸入值中二選一,或兩個都選來給出輸出值,但用整個細胞來開發邏輯門非常困難。
以往研究大部分是利用細胞的轉錄機制,即細胞讀取基因合成蛋白質的過程,以此生成輸出信號。但轉錄過程可能會很慢,需要幾分鐘甚至幾天時間才能生成期望的反應。而新研究利用了一種名為化學誘導二聚作用(CID)的技術,能讓反應大大加速。
井上解釋說,由于“與”門和“或”門是根據兩個不同輸入來產生一個輸出反應,要么都選,要么二選一,這要求兩個單獨的CID系統,既不會相互競爭,也不會彼此覆蓋。第一個CID系統是通過雷帕霉素得到的兩種蛋白FRB和FKBP。第二個CID系統是通過植物激素赤霉素得到的另外兩種蛋白質GID1和GAI。這兩個系統一個來自動物,一個來自植物,所以相互間不會競爭。
研究人員通過基因工程改造了哺乳動物細胞,使其能產生所有這4種必需的蛋白質,并在有兩種蛋白質同時產生時能輸出一個反應。當FRB和FKBP、GID1和GAI兩組中,有一組蛋白質連在一起時,研究人員用顯微鏡能看到細胞膜上出現了明顯褶皺。
為了生成“或”門,他們把FRB和GAI結合放在細胞膜上,把FKBP和GID1結合,讓它們自由漂浮在細胞里。而為了生成“與”門,他們只把GAI放在細胞膜上,讓FRB、FKBP二聚體和GID1自由漂浮。然后加入雷帕霉素、赤霉素或同時加入兩種,讓自由漂浮的二聚體和細胞膜上的二聚體相遇,使互相匹配的蛋白質結合在一起,以此引發輸出信號。
實驗顯示,每個工程細胞邏輯門都在幾秒鐘內產生了預期的反應。除此之外,研究人員還用熒光物質作為輸出,生成了相似的邏輯門。
井上指出,最終他們可能用相似的細胞邏輯門來建造更大、更復雜的線路,為開發以細胞為基本單位的計算機打下基礎。單個的細胞線路也可以被改造,生產特殊的化學產品,用于探測或診斷中。此外,利用這種合成邏輯門系統,還可以研究自然界的細胞是如何產生各種生化物質來維持自身功能順利運作的。
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