我们的大脑经常与计算机进行比较,但实际上,我们身体中的数十亿细胞可能是更好的类比。柔软的Goop的大袋可能看起来像刚性芯片和捆绑的电线一样哭泣,但细胞是参加输入的专家,通过复杂的一系列逻辑门运行并产生所需的编程输出。188体育365

以胰腺中的细胞为例,它可以制造和储存胰岛素。如果他们检测到血糖激增,他们就会释放胰岛素;否则他们不喜欢。每个细胞都遵循这样的指令,使我们——也就是生物体——能够正常运作。

这种电路类似的蜂窝操作性质不仅仅是一种方便的隐喻。大约50年前,科学家开始奇怪:如果我们可以劫持这些算法背后的机器并重新编程细胞,以做任何我们想要的东西,怎么办?

现在,一个由科学家团队引领的威尔逊博士Wong在波士顿大学直接被骚扰人体手机的操作指南 - 它的遗传密码 - 用合成生物燃料增强它,允许它遵守超过100套不同的逻辑操作,有效地将性质拔除为生命的唯一程序员。

虽然这些细胞没有任何立即使用,但该工具可能有利于其他生物工程,渴望与演变进行修补。合成生物学的承诺很棒。

“这些重新设计的有机体将在未来几年改变我们的生活,导致药物更便宜,”绿色“意味着促进我们的汽车和针对攻击”超级患者“和疾病的疗法,”写道博士。波士顿大学的Ahmad Khalil和James Collins,他没有参与该研究。

黑客的生活

工作,发表在着名期刊自然生物技术,建立几十年以前的研究,旨在将我们的细胞转化为微型,强大的微型计算机。

“很多合成生物学是由这个想法的激励,如果你能建造它,你只能了解一些东西,”Joel Bader博士,约翰霍普金斯大学的计算生物学家,他没有参与该研究。

由于它们相对简单的电路,大多数工作都集中在细菌和面包酵母上。几年前,科学家纠缠着酵母的代谢途径和设计用于生产用于使糖的抗疟疾药物的分子。其他球队有制作细菌将二氧化碳转化为液体燃料,基本上为人造光合作用铺平道路。科学家甚至设法了链接在一起两个合成基因电路,允许细菌团队进行简单的计算。

但延伸这些成功哺乳动物细胞已经非常具有挑战性。在其核心,合成生物学使用分子工具剪切,熔断,阻止或以其他方式操纵生物体的DNA。不幸的是,曾经用细菌或酵母基因组的修补程序在哺乳动物细胞中无用。

更重要的是,靶向一个基因还不够。为了编程新的遗传生物电影,科学家们通常需要调节十几种基因的活动:在关闭别人的同时每次上涨。对于按计划运行的事情,系统的每个组件必须有效地和同步工作。

传统上,科学家们试图用一系列称为转录因子的蛋白质,它与DNA结合并调节其表达 - 即它是否被重新掺入蛋白质中。但所有这些因素都表现得不同,使得一次使用多个因素很难。

因此,“具有多个输入和多个输出的电路保持稀缺,”解释黄。

生物布尔

为了解决这些问题,Wong的团队转向强大的分子多工具:DNA重组酶,其与DNA链的特定序列结合,使切割并缝合任何开口末端(“重组”DNA片)。

这就像在胶片上编辑视频:删除或添加场景,电影制作人需要精确地切割物理胶片,折腾或插入额外的位,将所有东西粘在一起。

通过这种方式,科学家可以控制是否产生蛋白质:当DNA重组酶变得活跃时,它会缠绕基因 - 和Voila,没有蛋白质;否则,细胞会像往常一样使蛋白质成为蛋白质。这是二进制系统的生物学等同物,执行最简单的逻辑操作-A not Gate(如果发生某些事情,则不做一些事情)。

如果您曾与Arduino一起玩过,您可能会同意构建电路的最简单方法是将灯泡作为输出。对于所有复杂性,合成生物学是相同的。

使用的团队的“灯泡”实际上是一种基因片段,它们编码蛋白质在紫外光下呈绿色,称为绿色荧光蛋白或GFP。通常,细胞很愉快地使蛋白质和自身发光。为了构建他们的不是门,团队在GFP基因 - 一种终止序列之前添加了另一个基因指令,这是“刚刚停止的遗传版本”。

要使他们的电路更复杂,团队添加了if-deal命令。这是它的运作方式:它们使DNA重组酶制成了可以捕获终止序列的DNA重组酶,但只有在药物存在下。

当细胞不感知药物时,DNA重组酶是无活性的,终止序列停留在适当位置,并且细胞保持半透明和无色。如果添加药物,则重组酶跳跃成动作并切开不浇口。输出?细胞“灯泡”亮起。

虽然一个发光的细胞看起来很简单,但科学家们可以在检测癌症,艾滋病毒或其他疾病的生物标志物时工程师来点亮。正如黄解释,您可以将患者的血液样本与工程电池混合,并立即获得读数 - 更便宜,更快地替代需要昂贵的机器。

没有简单的电路内容,团队继续构建113电路在人肾和免疫细胞中。一个惊人的96.5%他们在不需要进一步的优化的情况下工作,这是令人印象深刻的,因为生物工具可能是极其过度的。

“在我的个人体验中建立遗传电路,如果他们工作了25%的时间,你就会很幸运”黄。

行动中的刀片

该团队用人的名字称为新工具,刀片代表“通过DNA切除算法和算术”代表“布尔逻辑和算术”。

但是刀片不仅仅是一个擅长布尔逻辑的新颖工具。它提供的是设计大规模生物电路的方法,因此科学家可以可靠地控制细胞的动作。

Wong已经在工作中找到了一个项目的新工具,他对再生医学的目光。虽然干细胞具有变成大多数(如果不是全部)细胞类型的能力,但它们实际上是由将它们推向某个命运的一组基因决定。

用刀片,科学家可以将复杂的IF-DON系统设计成干细胞,其中一组“如果”条件将细胞推向一个命运(例如,神经元),而其他则将其触发其变成胰岛素的β细胞。

刀片还可以给予癌症治疗促进。科学家已经工程免疫细胞这可以检测癌症生物标志物和特异性靶向癌细胞。将额外的生物电路编程到这些细胞中可以给予它们更复杂和控制:例如,当它们检测多种癌症标记时,闸门将仅将免疫细胞限制为行动,进一步降低伤亡和副作用。

虽然仍然有一种方法,但科学家很有意思。如果我们继续解决该领域的技术挑战,我们只会受到限制的“通过研究人员的想象力和合成生物学可以解决的社会问题和应用程序的数量”,“哈利尔和柯林斯。

有一件事很清楚:通过合成生物学,我们不再需要通过大自然的规则发挥作用。

图像信用:Shutterstock.

Shelly Xuelai Fan是一个神经科学家转向科学作家。她在不列颠哥伦比亚省大学的神经科学中完成了博士学位,在那里她开发了新的神经变性治疗方法。在研究生物脑的同时,她对AI和所有东西都很着迷。毕业后,她搬到了UCSF,研究了恢复老年大脑的基于血液的因素。她是 ...

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