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Your Good Partner in Biology Research

世界上最聰明的細胞

日期:2013-02-20 09:53:03


在合成生物學領域,研究人員希望能通過設計細胞,使其能像個小機器人一樣,用于檢測環境中的毒素,研發藥物等。要實現這樣的目標,這個系統就需要能進行邏輯運算以及記憶儲存,但是目前大多數細胞的遺傳環路只能有效完成這其中一項。

 

“要構建復雜系統,不僅需要記憶功能,而且也需要邏輯運算,”來自麻省理工學院(MIT)電子工程和計算機科學系助理教授盧冠達(Timothy K. Lu)表示,這位青年科學家曾入選美國麻省理工學院百年期刊《技術評論》評選的世界青年科技創新家。

 

近期盧冠達與他的同事們構建了第一個能將計算的兩個基礎功能:邏輯功能和記憶結合起來的細菌細胞環路,這一系統能編碼DNA可遺傳數據,已證實在細菌中傳代90代。相關研究成果公布在2月的Nature Biotechnology雜志上。

 

2009年,這一研究組曾在Science雜志上發表文章,設計出了一種特殊的系統,能激活大腸桿菌的某些基因,進行計數并“記住”細胞中發生的事件。這一系統利用了一系列重組酶反應,主要是通過模仿計算機芯片制成的,可用于統計細胞分裂的次數,或研究一系列發育階段,還可以充當生物傳感器,來統計細胞接觸不同毒素的次數。

 

在此基礎上,盧冠達等人又設計了一種新的環路系統,能利用重組酶切斷DNA片段,并將其翻轉,然后將它們插入到基因組中去。這樣這些DNA片段就會被向上或向下翻轉,就好像將其打開或關上,類似于‘1或‘0的二進制代碼。

 

如果DNA二進制阻礙了調控DNA,如激活基因表達的啟動子,那么這種機制就能作為一種雙輸入邏輯門,檢測多個輸入,然后輸出一個答案。在這里,輸出是指該基因是否被激活。由于細菌基因組中的實際DNA會發生穩定改變,因此這種輸入就會被永久存儲。研究人員證實,這些細胞能在至少90代以內保持這些記憶。

 

通過這種方法,研究人員構建了一個復雜系統,其中重組酶靶向的是,調控綠色熒光蛋白(GFP)表達基因啟動子周圍的DNA序列,他們在每個細胞中創建了總數為16個雙輸入的Boolean邏輯函數。舉例來說,當重組酶“點開”靶向DNA序列,那么啟動子就會激活GFP基因,從而細胞就會表達GFP蛋白發光。一旦這些序列被“關閉”,系統也不會回到最初狀態。因此如果盧冠達希望了解這個細胞的輸出歷史,他既可以通過檢測細胞GFP的輸出,推測出輸入情況,也可以測序細胞中被儲存的DNA數據。

 

他表示,帶有邏輯和記憶功能的遺傳環路,能用于追蹤機體中疾病相關的基因是開啟的,還是關閉的,從而用以研究疾病的進程。而且對于生物技術而言,該系統也可被用于編程細胞,使其在某個水平上表達藥物,這就無需不斷的刺激細胞,并且其后代也能生產藥物。

 

盧冠達目前計劃將這一系統延伸到真核生物中去,希望由此能設計出追蹤干細胞復雜分化過程的遺傳環路,然后發現能獲得想要細胞類型的方法。

 

“我們希望能更有效的將細胞分化用于治療目的,或者為研究這些途徑的科學家們找出一種新工具”,他表示。

 



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