合成生物學(xué)允許研究人員對(duì)細(xì)胞進(jìn)行編程以執(zhí)行新功能，例如響應(yīng)特定化學(xué)物質(zhì)發(fā)熒光或產(chǎn)生響應(yīng)疾病標(biāo)記的藥物。為了設(shè)計(jì)更復(fù)雜的蜂窩電路，麻省理工學(xué)院的工程師現(xiàn)在已經(jīng)編程了單元來(lái)記憶和響應(yīng)一系列事件。

研究人員說(shuō)，這些細(xì)胞能夠以正確的順序記住多達(dá)三種不同的輸入，但這種方法應(yīng)該是可擴(kuò)展的，以包含更多的刺激。使用該系統(tǒng)，科學(xué)家可以跟蹤以特定順序發(fā)生的細(xì)胞事件，創(chuàng)建存儲(chǔ)復(fù)雜歷史的環(huán)境傳感器，或編程細(xì)胞軌跡。“如果將內(nèi)存元素與計(jì)算結(jié)合在一起，就可以構(gòu)建非常復(fù)雜的計(jì)算系統(tǒng)，” 電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)與生物工程副教授，麻省理工學(xué)院研究實(shí)驗(yàn)室合成生物學(xué)組負(fù)責(zé)人Timothy Lu說(shuō)。電子產(chǎn)品。

這種方法允許科學(xué)家創(chuàng)建生物“狀態(tài)機(jī)” - 存在于不同狀態(tài)的設(shè)備，這取決于它們接收的輸入的身份和順序。研究人員還創(chuàng)建了軟件，幫助用戶設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有不同行為的狀態(tài)機(jī)的電路，然后可以在單元中進(jìn)行測(cè)試。

Lu是這項(xiàng)新研究的資深作者，該研究發(fā)表在7月22日的“ 科學(xué)”雜志上。麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)研究生納撒尼爾·羅凱特是論文的第一作者。該論文的其他作者包括電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)副教授Scott Aaronson，麻省理工學(xué)院最近的畢業(yè)生Ava Soleimany，以及最近的韋爾斯利學(xué)院畢業(yè)生Alyssa Ferris。

長(zhǎng)期記憶

2013年，Lu及其同事設(shè)計(jì)了可以執(zhí)行邏輯功能的單元電路，然后通過(guò)在其DNA中編碼來(lái)存儲(chǔ)事件的存儲(chǔ)器。

他們?cè)谛抡撐闹性O(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)電路依賴于稱為重組酶的酶。當(dāng)通過(guò)細(xì)胞中的特定輸入激活時(shí)，例如化學(xué)信號(hào)，重組酶可以刪除或反轉(zhuǎn)特定的DNA片段，這取決于稱為識(shí)別位點(diǎn)的兩個(gè)DNA靶序列的方向。這些位點(diǎn)之間的DNA段可能包含響應(yīng)不同輸入的其他重組酶的識(shí)別位點(diǎn)。如果稍后激活第二種或第三種重組酶，翻轉(zhuǎn)或刪除這些位點(diǎn)會(huì)改變DNA會(huì)發(fā)生什么。因此，可以通過(guò)對(duì)其DNA進(jìn)行測(cè)序來(lái)確定細(xì)胞的歷史。

在該系統(tǒng)的最簡(jiǎn)單版本中，只有兩個(gè)輸入，電路有五種可能的狀態(tài)：狀態(tài)既不對(duì)應(yīng)輸入，也不對(duì)應(yīng)輸入A，僅對(duì)輸入B，A對(duì)應(yīng)B，B對(duì)應(yīng)A。研究人員還設(shè)計(jì)和構(gòu)建的電路記錄三個(gè)輸入，其中16個(gè)狀態(tài)是可能的。

在這項(xiàng)研究中，研究人員對(duì)大腸桿菌細(xì)胞進(jìn)行編程，以響應(yīng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中常用的物質(zhì)，包括ATc(抗生素四環(huán)素的類似物)，一種叫做阿拉伯糖的糖和一種叫做DAPG的化學(xué)物質(zhì)。然而，對(duì)于醫(yī)學(xué)或環(huán)境應(yīng)用，重組酶可以被重新設(shè)計(jì)以響應(yīng)其他條件，例如酸度或特定轉(zhuǎn)錄因子(控制基因表達(dá)的蛋白質(zhì))的存在。

基因控制

在創(chuàng)建了可記錄事件的電路后，研究人員隨后將基因與遺傳調(diào)控元件一起納入重組酶結(jié)合位點(diǎn)陣列。在這些電路中，當(dāng)重組酶重排DNA時(shí)，電路不僅記錄信息，還控制哪些基因打開(kāi)或關(guān)閉。

研究人員用三種基因測(cè)試了這種方法，這三種基因編碼不同的熒光蛋白 - 綠色，紅色和藍(lán)色，構(gòu)建了一個(gè)電路，表示熒光蛋白的不同組合，用于每個(gè)身份和兩個(gè)輸入的順序。例如，當(dāng)攜帶該電路的電池接收輸入A然后輸入B時(shí)，它們發(fā)出紅色和綠色熒光，而在A發(fā)出紅色和藍(lán)色熒光之前接收到B的電池。

Lu的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在希望使用這種方法來(lái)研究由一系列事件控制的細(xì)胞過(guò)程，例如細(xì)胞因子或其他信號(hào)分子的出現(xiàn)，或某些基因的激活。

“我們不僅可以記錄和響應(yīng)生物事件的組合，而且還可以記錄它們的命令，這一想法開(kāi)辟了許多潛在的應(yīng)用。關(guān)于哪些因素調(diào)節(jié)特定細(xì)胞類型的分化或?qū)е履承┘膊〉倪M(jìn)展，我們知道很多，但對(duì)這些因素的時(shí)間組織知之甚少。這是我們希望通過(guò)我們的設(shè)備深入研究的領(lǐng)域之一，“Roquet說(shuō)。

例如，科學(xué)家可以利用這種技術(shù)跟蹤干細(xì)胞或其他未成熟細(xì)胞的軌跡，進(jìn)入分化的成熟細(xì)胞類型。他們還可以跟蹤癌癥等疾病的進(jìn)展。最近的一項(xiàng)研究表明，獲得致癌突變的順序可以決定疾病的行為，包括癌細(xì)胞如何對(duì)藥物產(chǎn)生反應(yīng)并發(fā)展成腫瘤。此外，工程師可以使用此處開(kāi)發(fā)的狀態(tài)機(jī)平臺(tái)來(lái)編程細(xì)胞功能和分化途徑。