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計算機化生物學或如何用計算機控制細胞群

2019-05-12 09:26:50 ? 來源：

來自巴斯德研究所和Inria的研究人員，來自CNRS和巴黎狄德羅大學的研究人員以及奧地利科學與技術(shù)研究所(IST)的研究人員在Nature Communications上發(fā)表了兩篇文章。關(guān)于細胞過程的計算機控制。結(jié)合顯微鏡和軟件的混合實驗平臺使研究人員能夠?qū)崟r地將活細胞與控制算法連接起來。這兩篇文章說明這些解決方案可以創(chuàng)建新的，易于重編程的細胞群行為。這種對活組織的外部控制將成為一種強大的研究工具，用于詳細了解某些蛋白質(zhì)的生物學作用并優(yōu)化生物生產(chǎn)過程。

將生物學與工程學相結(jié)合的合成生物學的目標是(重新)對細胞進行編程，以便提高它們在特定任務(wù)中的表現(xiàn)，或者使它們能夠有效地執(zhí)行新任務(wù)。因此，該學科的挑戰(zhàn)之一是繞過現(xiàn)有生物系統(tǒng)的局限性。例如，即使它們在相同培養(yǎng)基中生長，也很難在不同細胞中獲得相同的基因表達。由于這些尖端技術(shù)，研究人員能夠在很長一段時間內(nèi)提供對細胞過程的同質(zhì)控制。

來自巴斯德研究所和英國，CNRS和巴黎狄德羅大學以及IST奧地利的研究人員開發(fā)了兩個將顯微鏡連接到計算機的平臺。將細胞置于微流體裝置中，其中可以改變化學環(huán)境或可以將細胞暴露于光刺激。計算機程序根據(jù)細胞觀察到的行為和實驗?zāi)繕藳Q定在化學或光照環(huán)境中進行哪些修改。計算機還通過顯微鏡管理圖像采集及其分析，以實時量化細胞反應(yīng)。

在第一篇文章中，來自巴斯德研究所和IST奧地利的兩個研究小組的研究人員利用光遺傳學通過將細胞暴露于光來激活基因的表達。熒光蛋白用于測量產(chǎn)生的蛋白質(zhì)的量。然后，使用系統(tǒng)模型的控制器可以基于單元的預(yù)期未來行為做出關(guān)于應(yīng)用哪些動態(tài)干擾的實時決策。由于研究人員創(chuàng)建的計算機程序，他們可以通過各種方式單獨控制每個單元，或者在多個單元之間創(chuàng)建虛擬通信，從而以易于重新配置的順序循環(huán)消息。“我們已經(jīng)設(shè)法建立了一個平臺，允許我們設(shè)計部分生物和部分虛擬的電路。

在第二篇文章中，InBio部門負責人，CNRS /巴黎狄德羅大學的Pascal Hersen的合著者GrégoryBat解釋了他們?nèi)绾卧O(shè)法將蜂窩系統(tǒng)置于不穩(wěn)定的配置中：“我們設(shè)計了一個旨在強制推行的計算機程序細胞隨機進行二元決策。為此，細胞被驅(qū)趕到山脊線上不穩(wěn)定狀態(tài)的登山者區(qū)域 - 然后它們會自由地向兩種可能的穩(wěn)定構(gòu)型中的一種進化。出乎意料的是，我們觀察到，如果正確選擇，給定的刺激能夠?qū)⒉煌毎航M帶到不穩(wěn)定區(qū)域并將其保持在那里。這些結(jié)果有助于更清楚地了解細胞群體的情況。在沒有個人協(xié)調(diào)的情

這些文章中描述的科學進步是通過今天互補的兩個學科之間的聯(lián)盟實現(xiàn)的：生物學和數(shù)字科學。巴斯德研究所和Inria之間的緊密合作，以InBio聯(lián)合研究小組的形式，其目的是為實現(xiàn)對細胞過程功能的定量理解開發(fā)方法框架，是跨學科研究結(jié)合價值的完美例證。方法學發(fā)展的實驗方法。

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