【Science】MIT新发明:只要会写程序,就能编码DNA
DeepTech深科技 · 2016/04/10
麻省理工学院(MIT)的生物工程师们发明了一种新的编程语言,能够快速设计出复杂的DNA编码电路,赋予活细胞新功能,且不需要有特定的遗传工程知识。


麻省理工学院(MIT)的生物工程师们发明了一种新的编程语言,能够快速设计出复杂的DNA编码电路,赋予活细胞新功能,且不需要有特定的遗传工程知识。

任何人都可以用这种语言为他们需要的功能编写程序,比如探测周围环境条件并做出反应。他们能让细胞合成一个DNA序列来完成这种功能。

“它就是一种细菌的编程语言,” MIT 生物工程教授克里斯托弗•福格特(Christopher Voigt)说。“就如同计算机编程一样,你使用文本语言进行设计,然后把它编写成 DNA 序列,DNA 序列被输入细胞,‘电路’就能在细胞里运行。”

福格特与波士顿大学和国家标准技术研究所的同事们,应用这种语言构建了能够探测三种信号输入,并且做出不同回应的电路。他们的成果发表在4月1号的《科学》(Science)杂志上。

这种编程语言的未来应用包括,设计能够探测到癌症细胞并生成抗癌药物的细菌,或者探测到发酵反应中有毒副产品积累过量时,能自我停止发酵反应的真菌。

研究者们计划将用户设计界面提供到互联网上。

无需经验即能使用

过去15年间,生物学家和工程师们设计了许多基因部件,比如感受器、记忆开关和生物钟,用以合并或添加到现存的细胞功能里。

但每一个生物电路的设计都是费力的过程,需要很多专业知识,经历很多试验和错误。“你必须对每部分的工作原理和他们的合并效果非常了解并成竹在胸”,福格特说。

这种新的编程语言的用户,则不需要有特定的遗传工程知识。

“你可以对它的工作原理一无所知。这就是它的不同之处。”福格特说,“哪怕你是个高中生,通过网上的服务器写出你要的程序,它就能回馈给你相应的DNA序列。”

这种语言是基于计算机芯片的常用编辑语言Verilog基础上的。为了写出能让细胞工作的语言,研究者把诸如逻辑门(Logic Gates)和传感器这些计算元件加入细菌细胞的DNA编码。这些传感器能探测不同的合成物,像是氧气、葡萄糖和光、温度、酸度及其他环境条件。用户还能加入自己的传感器。“它可以很容易的根据需要来定制“,福格特说。

“最大的挑战,是给电路设计的14个逻辑门,并使它们在活细胞的复杂环境里不会彼此影响”,福格特说。

目前这种编程语言,主要适用于大肠杆菌,但研究者们正在将它拓展到其他细菌中,包括人类肠道中常见的多形状杆菌、植物根茎中的假单胞菌和酿酒酵母真菌。届时,用户只需要写一个程序,就能把它转化为适用于不同生物体的特异性 DNA 序列。

生物电路

研究者们用这种语言编写了60个功能不同的电路,其中45个第一次试验就获得成功。许多电路用来测量一种或多种环境条件,比如氧气水平或者葡萄糖浓度,并做出相应反应。另一种回路设计用来比较三种输入的信号,并根据每种信号的优先权做出反应。

其中一种新电路是迄今最大的生物电路,包含7个逻辑门和约12000个DNA碱基对。

这项技术的另一个优势是速度快。“以前构建这样的电路需要几年时间。现在你按下按键就有一个 DNA 序列出来供你检测“,福格特说。

他的团队打算攻克这项技术的几种不同应用:吞下去后能帮助乳糖消化的细菌;生活在植物根茎里,在感受到植物遭受害虫袭击时生产杀虫剂的细菌;在发酵反应器里能探测有毒副产物的浓度,并自动中止反应的真菌。

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