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研发新合成生物回路 可精确预测输出

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研发新合成生物回路 可精确预测输出

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【摘要】:
近些年來研究人員在設計和創造生物回路方面取得了極大的進展。生物回路和電子回路一樣,能夠結合一系列不同的輸入以産生特定的輸出。然而,雖然這樣的生物回路裏的單個組件可以有精確和可預測的反應,但當將這些組件元素相結合時,産生的結果就不那麽好預測了。?研究人員在設計和創造生物回路方面取得了極大的進展?現在美國麻省理工學院的一支研究人員小組提出了一種極大減少不確定性的方法,他們引入了一種可以最終實現對生物回
近些年來研究人員在設計和創造生物回路方面取得了極大的進展。生物回路和電子回路一樣,能夠結合一系列不同的輸入以産生特定的輸出。然而,雖然這樣的生物回路裏的單個組件可以有精確和可預測的反應,但當將這些組件元素相結合時,産生的結果就不那麽好預測了。
 
研究人員在設計和創造生物回路方面取得了極大的進展。
 
现在美国麻省理工学院的一支研究人员小组提出了一种极大减少不确定性的方法,他们引入了一种可以最终实现对生物回路进行可靠预测,就像对单个组件进行预测一样的设备。这项由机械工程学副教授多米蒂拉·戴尔·维吉奥(Domitilla Del Vecchio)和生物工程教授罗恩·威斯(Ron Weiss)带领进行的研究被发表在本周的期刊《自然生物科学》上。文章的首席作者是麻省理工学院生物工程研究生迪帕克·米什拉(Deepak Mishra),其它合作作者包括机械工程硕士研究生菲利普·利维拉(Phillip Rivera)和电子工程和计算机科学研究生林艾伦(Allen Lin)。
 
這樣的合成生物回路將有很多潛在的用途,戴爾·維吉奧和威斯解釋道。“我們目前正在研究的其中一項用途便是生物傳感——可以檢測環境裏特定分子並做出回應産生特定輸出的細胞。”戴爾·維吉奧解釋道。一個具體的例子便是,細胞可以檢測暗示癌細胞存在的標記,然後引發釋放殺死這些細胞的分子。
 
這樣的生物回路能夠精確的區別癌症細胞和非癌症細胞是非常重要的,目的是避免它們“傷及無辜”,威斯解釋道。爲了實現這一目標,在細胞內利用生物元素産生可靠的信息處理回路變得“極其至關重要”。
 
到目前爲止,這種具有可靠預測性的生物回路還無法實現,部分原因是當引入多個生物回路階段時所産生的反饋效應。在電子回路裏,當一個組件通過電線與另一個組件相連通時,信息總是朝一個特定方向流通,但生物回路有所不同,它的組件是在細胞內部非常複雜的液體環境裏隨意漂浮的。
 
信息流是由单个组件之间的化学反应所驱动的,理想情况是这种反应只会影响特定组件。但在现实情况里,试图创造这样的生物连接总会产生与预期不符的其它结果。“如果你组成回路并期待得到X的结果,但事实上你却得到了Y,这就存在问题。” 戴尔·维吉奥说道。
 
爲了解決這個問題,研究小組創造了一個名爲加載驅動的設備,它的效應類似于電子回路裏所使用的加載驅動:它會在信號和輸出之間提供某種緩沖,從而阻止系統備份所帶來的信號幹擾和輸出延遲。
 
雖然這一研究仍處于早期階段,它可能還需要數年時間才能實現商業應用,但這一概念或可能産生廣泛的應用。例如,它可以促進研發某種持續測量糖尿病患者血液裏葡萄糖含量的合成生物回路,在需要的時候自動引發釋放胰島素。
 
戴尔·维吉奥表示,在设计生物回路里额外引入加载驱动“可以逐步增强设计的回路的复杂性”,从而在确保操纵是“可靠和可预测的前提下”,开拓新的应用领域。美国波斯顿大学生物医学工程教授詹姆斯·科林(James Collins)表示:“在合成生物学里试图创造复杂的基因回路往往会受到無法预期或回路子模块之间無法定义的相互作用的阻碍。这些相互作用会改变子模块的输入-输出特性,从而导致不合需要的回路特性。”科林并未参与这项研究。“戴尔·维吉奥和威斯在这一领域取得了重大进展,他们创造了一个可以解释和纠正这样相互作用的基因设备,从而实现可以预测的回路特性。”
 
這項研究得到了埃尼麻省理工學院能源研究獎學金、美國國家科學基金會、美國陸軍研究辦公室、美國空軍科學研究局和美國國家衛生研究院的資金支持。
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