在右手中，鋼琴上的88鍵提供無限的創(chuàng)作可能性。對(duì)于有才能的生物工程師來說，人類基因組的分子同樣能夠?qū)崿F(xiàn)極大復(fù)雜性和創(chuàng)造性的組合。一位在音樂和基因工程方面表現(xiàn)出色的加州大學(xué)歐文科學(xué)家認(rèn)為，他已經(jīng)在生物體細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了自己的繆斯。“目前在科學(xué)領(lǐng)域最令人興奮的是生物學(xué)，”UCI生物醫(yī)學(xué)工程助理教授Chang Liu說。“這是一個(gè)未征服的邊界。”

對(duì)劉來說，魅力來自兩個(gè)角度：探索生命科學(xué)中未知的界限，發(fā)現(xiàn)如何利用生物材料在分子和遺傳尺度上建立新的結(jié)構(gòu)。這個(gè)目標(biāo)是學(xué)習(xí)如何將細(xì)胞，DNA和RNA，酶，氨基酸和蛋白質(zhì)分開并重新組裝，就像一個(gè)讓他在UCI的Henry Samueli工程學(xué)院獲得一席之地的粘性安裝工具。

“我最初是通過UCI多學(xué)科復(fù)雜生物系統(tǒng)中心的搜索來到這里的，”劉說。“由于我在遺傳學(xué)方面的工作，我與Samueli學(xué)校相匹配，許多人認(rèn)為這是工程領(lǐng)域的前沿。” 他現(xiàn)在在UCI的自然科學(xué)II大樓里經(jīng)營一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，擁有六個(gè)博士學(xué)位。學(xué)生，三名博士后學(xué)者，兩名實(shí)驗(yàn)技師和兩名本科生。

亞利桑那州圖森市人在哈佛大學(xué)獲得化學(xué)學(xué)士學(xué)位，但科學(xué)并不是他從西南到馬薩諸塞州劍橋的主要原因。

“我當(dāng)時(shí)認(rèn)真對(duì)待音樂和音樂會(huì)鋼琴演奏，我和一位非常著名的鋼琴家，音樂學(xué)家和哈佛音樂理論家進(jìn)行了試鏡，”在一個(gè)科學(xué)家和業(yè)余音樂家家庭長大的劉說。“他一次只指導(dǎo)兩三個(gè)學(xué)生，如果我在那里攻讀本科學(xué)位，他就提議帶我上學(xué)。”

除了音樂，劉還深入研究化學(xué)和物理。他繼續(xù)從加利福尼亞州拉霍亞的斯克里普斯研究所獲得前者的博士學(xué)位。“這段時(shí)間對(duì)我來說至關(guān)重要，”他說，“因?yàn)樗蛭艺故玖死斫饣瘜W(xué)是如何在回答生物問題的服務(wù)。“

現(xiàn)在劉和他的實(shí)驗(yàn)室伙伴正在嘗試使用一種新的生物學(xué)研究方法來設(shè)計(jì)具有新能力的細(xì)胞，稱為定向進(jìn)化，這是一種用于蛋白質(zhì)工程的方法，模擬自然選擇過程，使蛋白質(zhì)或核酸向用戶發(fā)展 - 確定的目標(biāo)。

“我們實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)更大的主題是試圖設(shè)計(jì)可以處理和傳遞信息的遺傳系統(tǒng)，”他說。雖然DNA的作用是存儲(chǔ)和傳播信息，但它實(shí)際上并沒有“在細(xì)胞水平上執(zhí)行功能”，他指出。相反，指令從DNA轉(zhuǎn)錄為RNA并轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是功能更強(qiáng)的分子。

劉和他的同事們正在努力探索這個(gè)過程的底層，看看他們是否可以隨意進(jìn)化基因組以執(zhí)行諸如攻擊患病細(xì)胞和促進(jìn)健康細(xì)胞等所需的行動(dòng)。

遺傳學(xué)研究人員傾向于對(duì)這個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生一定程度的尊重和欽佩，這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)使人們不斷發(fā)展到現(xiàn)在的狀態(tài)。劉說，基因組基于一組惰性化學(xué)物質(zhì)，這些化學(xué)物質(zhì)在幾十億年前就已經(jīng)排好了，因此不可能只是進(jìn)入并重新排列分子。如果將反應(yīng)性化學(xué)物質(zhì)引入遺傳密碼，“串?dāng)_”會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

劉的實(shí)驗(yàn)室通過開發(fā)一種稱為正交DNA復(fù)制的技術(shù)即興解決了這個(gè)問題，其中宿主的遺傳密碼通過插入同一細(xì)胞內(nèi)的工程化遺傳密碼得到增強(qiáng)。

“我們基本上將反應(yīng)性和化學(xué)特權(quán)群體安裝到通常不存在的遺傳密碼中，這樣我們就可以制造更好的治療方法，”劉說。換句話說，他的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何使用輔助復(fù)制系統(tǒng)來創(chuàng)建細(xì)胞，這種酶與一片DNA一起工作，這些DNA生活在同一個(gè)細(xì)胞中，但獨(dú)立于細(xì)胞的基因組。

這使劉和他的同事能夠在實(shí)驗(yàn)室中以非?？斓乃俣葘?duì)基因進(jìn)行實(shí)驗(yàn) - 目標(biāo)是使細(xì)胞完成有益的任務(wù)。“我們的許多項(xiàng)目正在研究如何以一定的速率對(duì)細(xì)胞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以確定在實(shí)驗(yàn)室的時(shí)間尺度而不是在自然生物世界中發(fā)生進(jìn)化，”他說。

這些努力引起了UCI以外研究領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)者的關(guān)注。

“劉翔的工作將發(fā)揮重要作用，因?yàn)樵擃I(lǐng)域從基因編輯轉(zhuǎn)向?qū)嶋H構(gòu)成新基因。定向進(jìn)化是作曲家的繆斯和編輯的結(jié)合，”加利福尼亞州化學(xué)工程，生物工程和生物化學(xué)的狄金森教授Frances Arnold說。技術(shù)研究所。“Chang擁有一個(gè)大膽而富有創(chuàng)造性的視野，以現(xiàn)實(shí)和工程師完成工作的能力為條件。”