電子小玩意和活細(xì)胞都可以處理信號(hào)，將輸入轉(zhuǎn)換為輸出 - 甚至可以識(shí)別灰色區(qū)域信號(hào)是否足夠暗或足夠輕，以證明黑白分辨。在細(xì)胞中，這種信號(hào)處理是分化和發(fā)展等過(guò)程的根源。想象一下，如果有人可以破解這樣的過(guò)程!人們可以重新設(shè)計(jì)人體細(xì)胞，指導(dǎo)免疫和干細(xì)胞功能，并實(shí)現(xiàn)新的基于細(xì)胞的治療方法。

聽起來(lái)不錯(cuò)，對(duì)嗎?但是，有一個(gè)問題。細(xì)胞從未聽說(shuō)過(guò)Radio Shack。也就是說(shuō)，它們不依賴于標(biāo)準(zhǔn)化的電路元件，這很大程度上要?dú)w功于合成生物學(xué)家的挫敗感，對(duì)于他們而言，蜂窩電路的再造可能像將烙鐵帶到印刷電路板一樣棘手。迄今為止，合成生物學(xué)家已經(jīng)能夠重建和模擬更簡(jiǎn)單形式的基于細(xì)胞的信號(hào)處理。但更復(fù)雜的形式，即對(duì)連續(xù)多價(jià)信號(hào)的二元響應(yīng)背后的形式，已被證明是難以捉摸的。

盡管如此，代表萊斯大學(xué)，波士頓大學(xué)，麻省理工學(xué)院，哈佛大學(xué)，布羅德研究所和布蘭迪斯大學(xué)的科學(xué)家們都可以將模擬到數(shù)字的能力帶到合成生物學(xué)。這些科學(xué)家使用稱為協(xié)同裝配的生化過(guò)程來(lái)設(shè)計(jì)能夠解碼頻率相關(guān)信號(hào)并進(jìn)行動(dòng)態(tài)信號(hào)濾波的遺傳電路。換句話說(shuō)，遺傳電路可以像可調(diào)諧的模數(shù)轉(zhuǎn)換器一樣工作。

這項(xiàng)工作的細(xì)節(jié)發(fā)表在4月18日的科學(xué)雜志上，題目為“ 使用合作調(diào)控組件的合成基因電路中的復(fù)雜信號(hào)處理。”文章建議，合作組裝可以編程，以微調(diào)數(shù)字化的細(xì)胞行為。 - 模擬頻譜，大大擴(kuò)展了合成電路可用的可操作行為。

在本質(zhì)上，對(duì)環(huán)境刺激的全有或全無(wú)的反應(yīng)通常依賴于合作自組裝。“幾種叫做轉(zhuǎn)錄因子的蛋白質(zhì)自組裝成一個(gè)更大的復(fù)合體，”萊斯大學(xué)生物工程和生物科學(xué)助理教授Caleb Bashor博士解釋說(shuō)，他是當(dāng)前研究的共同主要作者之一。“只有當(dāng)他們走到一起時(shí)才會(huì)拋出開關(guān)。

在當(dāng)前的研究中，通過(guò)合成蛋白質(zhì)組分的模塊化系統(tǒng)模擬了合作自組裝。在該系統(tǒng)中，組件可以組裝成不同大小的復(fù)合物。當(dāng)被設(shè)計(jì)到細(xì)胞中時(shí)，該系統(tǒng)允許編程對(duì)定義的刺激的細(xì)胞反應(yīng)。例如，在當(dāng)前的研究中，酵母細(xì)胞被編程以響應(yīng)通過(guò)微流體裝置以不同濃度施用的兩種不同藥物。

“使用模型引導(dǎo)的方法，我們表明，指定裝配子單元的強(qiáng)度和數(shù)量可以實(shí)現(xiàn)單輸入和多輸入電路的線性和非線性調(diào)節(jié)響應(yīng)之間的預(yù)測(cè)性調(diào)整，”該文章的作者寫道。“我們證明可以調(diào)整組件以控制電路動(dòng)態(tài)。我們利用這種能力來(lái)設(shè)計(jì)執(zhí)行動(dòng)態(tài)濾波的電路，從而在細(xì)胞群中實(shí)現(xiàn)頻率相關(guān)解碼。“

酵母內(nèi)部產(chǎn)生的組分分子的濃度響應(yīng)于模擬輸入 - 測(cè)試室中藥物的濃度而上升和下降。

“基本上，這些成分相互之間具有極弱的相互作用，”Bashor說(shuō)。“但是，在更大的復(fù)雜情況下，所有這些弱勢(shì)互動(dòng)都會(huì)加劇到非常緊張的事情。所以，當(dāng)它們中只有很少一個(gè)漂浮時(shí)，它們就不會(huì)形成復(fù)雜的東西。當(dāng)他們達(dá)到臨界關(guān)注時(shí)，他們會(huì)看到彼此，他們基本上可以聚在一起形成復(fù)合體。“

響應(yīng)的清晰度 - 在準(zhǔn)確的預(yù)期時(shí)間內(nèi)快速發(fā)生 - 是數(shù)字精度的關(guān)鍵。“將這種類型的響應(yīng)設(shè)計(jì)到轉(zhuǎn)錄因子中是允許我們對(duì)細(xì)胞進(jìn)行編程以執(zhí)行各種復(fù)雜功能的核心，例如布爾邏輯，時(shí)間依賴濾波，甚至是頻率解碼，”Ahmad“Mo”Khalil博士說(shuō)。 ，波士頓大學(xué)助理教授和當(dāng)前研究的通訊作者。

Bashor，Khalil和他的同事設(shè)計(jì)了含有少至兩個(gè)轉(zhuǎn)錄因子成分和多達(dá)六個(gè)的激活復(fù)合物，他們的實(shí)驗(yàn)表明復(fù)合物越大，臨界反應(yīng)越尖銳。

倫敦帝國(guó)理工學(xué)院生物工程系的合成基因組工程讀者湯姆埃利斯說(shuō)：“這項(xiàng)工作是合成生物學(xué)的一個(gè)重要問題，它解決了細(xì)胞如何在DNA水平上處理信息的一個(gè)主要問題。”在研究中。“眾所周知，大自然已經(jīng)完善了非常強(qiáng)大的信息處理，只有少量部件，但由于它們的復(fù)雜性，在人體細(xì)胞中幾乎不可能對(duì)其如何工作進(jìn)行去卷積。

“通過(guò)重建人類細(xì)胞在DNA水平上處理信息的方式，但在具有合成部分的簡(jiǎn)單酵母細(xì)胞模型中，他們能夠從第一原理重建復(fù)雜信號(hào)。這是一個(gè)很好的例子，說(shuō)明像工程師一樣思考如何解開一種新的方式來(lái)回答主要的生物學(xué)問題。“

展望未來(lái)，Bashor的Rice實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃使用模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器和其他合成基因電路來(lái)探索和操縱指導(dǎo)免疫和干細(xì)胞功能的調(diào)控程序，著眼于開發(fā)基于工程人體細(xì)胞的轉(zhuǎn)化細(xì)胞療法。