如何破解細(xì)胞新平臺(tái)可以更容易地編程活細(xì)胞

人體由數(shù)萬億個(gè)細(xì)胞組成，微型計(jì)算機(jī)根據(jù)彼此接收的信號(hào)及其環(huán)境執(zhí)行復(fù)雜的行為。合成生物學(xué)家設(shè)計(jì)活細(xì)胞，通過將基因轉(zhuǎn)換為可編程電路來控制它們的行為。由自然生物技術(shù)的助理教授Wilson Wong(BME)發(fā)表的一項(xiàng)新研究概述了一種新的簡(jiǎn)化平臺(tái)，可以更快，更有效地將哺乳動(dòng)物細(xì)胞作為遺傳環(huán)路，甚至是復(fù)雜的細(xì)胞進(jìn)行定位和編程。

“合成生物學(xué)家試圖解決的問題是我們?nèi)绾巫尲?xì)胞做出決策，并試圖設(shè)計(jì)一種策略來做出我們想要的決定，”Wong說。“通過這些電路，我們采用了完全不同的設(shè)計(jì)方法，并為研究人員創(chuàng)建了一個(gè)框架，用于針對(duì)特定細(xì)胞類型并使其執(zhí)行不同類型的計(jì)算，這對(duì)于開發(fā)組織工程，干細(xì)胞研究和診斷的新方法非常有用。應(yīng)用程序，僅舉幾例。“

從歷史上看，工程遺傳電路受到電子設(shè)備電路設(shè)計(jì)的啟發(fā)，采用類似的方法，使用轉(zhuǎn)錄因子，即誘導(dǎo)DNA轉(zhuǎn)化為RNA的蛋白質(zhì)，這很難處理，因?yàn)楹茈y預(yù)測(cè)一條全新的遺傳密碼鏈。哺乳動(dòng)物細(xì)胞使用起來特別棘手，因?yàn)樗鼈兪且粋€(gè)變化多變的環(huán)境并且表現(xiàn)出高度復(fù)雜的行為，使得電子設(shè)計(jì)方法在最好的情況下耗費(fèi)時(shí)間并且在最壞的情況下不可靠。

Wong的方法使用DNA重組酶，即切割和粘貼DNA序列片段的酶，允許更有針對(duì)性地操縱細(xì)胞及其行為。結(jié)果是一個(gè)名為“BLADE”或“通過DNA切除的布爾邏輯和算術(shù)”的平臺(tái)，指的是細(xì)胞被編程的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言以及它們可以編程執(zhí)行的計(jì)算。BLADE將允許研究人員在一個(gè)簡(jiǎn)化的設(shè)備中使用不同的信號(hào)或輸入來控制它們所針對(duì)的細(xì)胞的輸出或行為。

“我們的想法是建立一個(gè)簡(jiǎn)單而靈活的系統(tǒng)，可以在現(xiàn)場(chǎng)定制，使用一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)獲得任何預(yù)期的結(jié)果，而不是每次都需要重建和重新設(shè)計(jì)，”研究生Benjamin Weinberg說。在Wong的實(shí)驗(yàn)室和論文的第一作者。“基本上，使用BLADE，你可以在哺乳動(dòng)物細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)你想要的任何計(jì)算組合。對(duì)于這篇特別的論文，我們可能沒有構(gòu)建你需要的特定行為，但我們想說明使用BLADE，你應(yīng)該能夠構(gòu)建你需要的電路來實(shí)現(xiàn)你正在尋找的行為。“

發(fā)表在Nature Biotechnology上的論文概述了使用BLADE平臺(tái)成功構(gòu)建的100多個(gè)電路示例。溫伯格指出，研究人員故意構(gòu)建具有復(fù)雜功能的復(fù)雜電路，以說明使用其設(shè)計(jì)的可能性，包括一些編程人類細(xì)胞添加或減去數(shù)字的可能性。他將設(shè)計(jì)計(jì)劃上傳到開源在線存儲(chǔ)庫(kù)，以便其他研究人員可以立即開始下載工具以在他們的項(xiàng)目中使用。Weinberg將繼續(xù)改進(jìn)技術(shù)并將其整合到軟件程序中，以使其更易于使用，而Wong計(jì)劃使用該平臺(tái)來探索醫(yī)療診斷應(yīng)用程序。

“在BLADE之前，這些電路中的任何一個(gè)都需要花費(fèi)數(shù)年時(shí)間才能構(gòu)建并實(shí)現(xiàn)功能，然后你必須使用反復(fù)試驗(yàn)才能使其按照你想要的方式工作，”Wong說。“我已經(jīng)做了15年的合成生物學(xué)研究，我從來沒有見過像這個(gè)平臺(tái)那樣的第一次嘗試這么復(fù)雜的電路。我們很高興能把它拿出去，所以人們可以開始使用它，我們'很高興看到他們想出了什么。“

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