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一种活细胞“编程语言”
http://dangpob.cn  2019/9/11 10:17:21  

之道网导读:“你可能对它们中的任何一部分如何工作一无所知。这就是它的不同之处,”Voigt说。“你可能是个,基于Web服务器输入你想要的程序,它就会吐出DNA序......

麻省理工学院的生物工程师们创造了一种编程语言,使他们能够快速设计复杂的DNA编码通路,从而给活细胞赋予新的功能。

使用这种语言,任何人都可以为他们想要的功能写出一段程序,如检测和应对特定环境条件的程序。然后,他们就可以生成能实现这些功能的DNA序列。

“这实际上是一种细菌的编程语言,”麻省理工学院的生物工程教授ChristopherVoigt说道。“您可以使用基于文本的语言,就像你在进行计算机编程。你得到程序文本后对它进行编译,之后它变成DNA序列被你放入细胞内,接着这个通路就在细胞内运行。”

Voigt和其在波士顿大学和标准与技术研究所的同事们使用这种发表于4月1日的科学(Science)杂志上的语言,构建的通路可检测多达三个输入,并以不同的方式作出反应。对于这种编程的未来应用包括设计在检测到时能产生药物的细菌,或创建一种酵母细胞,当有太多的有毒副产物积聚时可以制止自己的发酵过程。

研究人员计划在Web上提供用户设计界面。

无需任何经验

在过去的15年中,生物学家和工程师们设计了许多遗传部件,如传感器,记忆开关和生物钟,它们可以合并修改现有的细胞功能,并且可以添加新的功能。

一种活细胞“编程语言”

然而,设计每一个通路都是一个费力的过程,需要极大的专业知识和通常情况下大量的试验和错误。“你必需对这些碎片将如何进行工作,以及它们怎样聚集在一起有非常深厚的认识,”Voigt说。

然而这种新的编程语言并不需要用户具有基因工程的专业知识。

“你可能对它们中的任何一部分如何工作一无所知。这就是它的不同之处,”Voigt说。“你可能是个高中生,基于Web服务器输入你想要的程序,它就会吐出DNA序列。”

该编程语言基于Verilog,其通常用于编程计算机芯片。通过创建一个能为细胞工作的语言版本,研究人员设计的编码元件例如逻辑门和传感器,都可以在细菌细胞的DNA中进行编码。该传感器可以检测不同的化合物,如氧或糖,以及光,温度,酸度以及其它环境条件。用户也可以添加自己的传感器。“这非常便于定制,”Voigt说。

最大的挑战,他说,是设计在通路中使用的14个逻辑门,使它们不会在放置于活细胞的复杂环境中时互相干扰。

在编程语言的当前版本中,这些元件用于大肠杆菌优化,但研究人员正在致力于扩大为其它细菌的菌株,包括在人体肠道中常见的杆菌,和通常生活在植物的根中的假单胞菌属,以及酿酒酵母。这将允许用户编写一个单一的程序,然后在不同的生物体中编译,进而为每一个生物体获取正确的DNA序列。

生物学通路

使用这种语言,研究人员编程了60种具有不同功能的通路,其中45个在他们首次测试时功能正常。许多通路被设计用于测量一种或多种环境条件,如氧气水平或葡萄糖浓度,并作出相应的反应。另一个通路被设计为随机排列三个不同的输入,然后根据每一个的优先级作出响应。

其中一个新的通路是迄今为止建造的最大的生物通路,含有7个逻辑门和含有约12000个碱基对的DNA。

该技术的另一个优点是它的速度。到现在为止,“这将需要几年的时间来构建这些类型的通路。现在,您只需按下按钮,就会立即获得DNA序列并进行测试,”Voigt说。

他的研究小组计划使用这一方法运行几个不同的应用程序:可吞食乳糖帮的细菌;可以生活在植物根系和在感觉到攻击时产生杀虫剂的细菌;和当在发酵反应器中产生太多的有毒副产物时,可以被程序化地关闭的酵母。


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