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MIT:研发新合成生物回路 可精确预测输出

2014/11/26 来源:科技日报
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导读
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。


近些年来研究人员在设计和创造生物回路方面取得了极大的进展。生物回路和电子回路一样,能够结合一系列不同的输入以产生特定的输出。然而,虽然这样的生物回路里的单个组件可以有精确和可预测的反应,但当将这些组件元素相结合时,产生的结果就不那么好预测了。

研究人员在设计和创造生物回路方面取得了极大的进展

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)。

这样的合成生物回路将有很多潜在的用途,戴尔·维吉奥和威斯解释道。“我们目前正在研究的其中一项用途便是生物传感——可以检测环境里特定分子并做出回应产生特定输出的细胞。”戴尔·维吉奥解释道。一个具体的例子便是,细胞可以检测暗示癌细胞存在的标记,然后引发释放杀死这些细胞的分子。

这样的生物回路能够精确的区别癌症细胞和非癌症细胞是非常重要的,目的是避免它们“伤及无辜”,威斯解释道。为了实现这一目标,在细胞内利用生物元素产生可靠的信息处理回路变得“极其至关重要”。

到目前为止,这种具有可靠预测性的生物回路还无法实现,部分原因是当引入多个生物回路阶段时所产生的反馈效应。在电子回路里,当一个组件通过电线与另一个组件相连通时,信息总是朝一个特定方向流通,但生物回路有所不同,它的组件是在细胞内部非常复杂的液体环境里随意漂浮的。

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。

为了解决这个问题,研究小组创造了一个名为加载驱动的设备,它的效应类似于电子回路里所使用的加载驱动:它会在信号和输出之间提供某种缓冲,从而阻止系统备份所带来的信号干扰和输出延迟。

虽然这一研究仍处于早期阶段,它可能还需要数年时间才能实现商业应用,但这一概念或可能产生广泛的应用。例如,它可以促进研发某种持续测量糖尿病患者血液里葡萄糖含量的合成生物回路,在需要的时候自动引发释放胰岛素。

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无法预期或回路子模块之间无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。”

这项研究得到了埃尼麻省理工学院能源研究奖学金、美国国家科学基金会、美国陆军研究办公室、美国空军科学研究局和美国国家卫生研究院的资金支持。

拓展阅读:

Enabling biocircuits: New device could make large biological circuits practical

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