世界上最聰明的細胞
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，用於檢測環境中的毒素，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。
「要構建複雜系統，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雜誌上。
在2009年，這一研究組曾在Science雜誌上發表文章，設計出了一種特殊的系統，能激活大腸桿菌的某些基因，進行計數並「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晶元製成的，可用於統計細胞分裂的次數，或研究一系列發育階段，還可以充當生物感測器，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，並將其翻轉，然後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，類似於『1"或『0"的二進位代碼。
如果DNA二進位阻礙了調控DNA，如激活基因表達的啟動子，那麼這種機制就能作為一種雙輸入邏輯門，檢測多個輸入，然後輸出一個答案。在這裡，輸出是指該基因是否被激活。由於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複雜系統，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，那麼啟動子就會激活GFP基因，從而細胞就會表達GFP蛋白髮光。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，能用於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。而且對於生物技術而言，該系統也可被用於編程細胞，使其在某個水平上表達藥物，這就無需不斷的刺激細胞，並且其後代也能生產藥物。 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幹細胞複雜分化過程的遺傳環路，然後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於治療目的，或者為研究這些途徑的科學家們找出一種新工具」，他表示。
歡迎關注實驗之家公眾號：labfamily
或者掃描屏幕下方二維碼：
TAG:實驗之家 |