麻省理工學(xué)院的生物工程師創(chuàng)造了一種編程語(yǔ)言，使他們能夠快速設(shè)計(jì)復(fù)雜的DNA編碼電路，為活細(xì)胞提供新的功能。使用這種語(yǔ)言，任何人都可以為他們想要的功能編寫程序，例如檢測(cè)和響應(yīng)某些環(huán)境條件。然后，他們可以生成實(shí)現(xiàn)它的DNA序列。

“它實(shí)際上是細(xì)菌的編程語(yǔ)言，”麻省理工學(xué)院生物工程學(xué)教授Christopher Voigt說(shuō)。“你使用基于文本的語(yǔ)言，就像你正在編寫一臺(tái)計(jì)算機(jī)一樣。然后你把這個(gè)文本編譯出來(lái)然后把它變成你放入單元格的DNA序列，然后電路在單元格里運(yùn)行。 “

波士頓大學(xué)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的Voigt及其同事使用這種語(yǔ)言，他們?cè)?月1日出版的“ 科學(xué)”雜志中描述了這種語(yǔ)言，用于構(gòu)建可以檢測(cè)多達(dá)三個(gè)輸入并以不同方式響應(yīng)的電路。這種編程的未來(lái)應(yīng)用包括設(shè)計(jì)在檢測(cè)到腫瘤時(shí)可以產(chǎn)生癌癥藥物的細(xì)菌細(xì)胞，或者如果產(chǎn)生太多有毒副產(chǎn)物則產(chǎn)生可以停止自身發(fā)酵過(guò)程的酵母細(xì)胞。

研究人員計(jì)劃在Web上提供用戶設(shè)計(jì)界面。

沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)需要

在過(guò)去的15年中，生物學(xué)家和工程師設(shè)計(jì)了許多遺傳部分，例如傳感器，記憶開關(guān)和生物鐘，它們可以結(jié)合起來(lái)修改現(xiàn)有的細(xì)胞功能并添加新功能。

然而，設(shè)計(jì)每個(gè)電路是一個(gè)費(fèi)力的過(guò)程，需要很多專業(yè)知識(shí)，而且往往需要大量的試驗(yàn)和錯(cuò)誤。“你必須非常了解這些作品將如何發(fā)揮作用，以及它們將如何結(jié)合在一起，”Voigt說(shuō)。

然而，新編程語(yǔ)言的用戶不需要基因工程的特殊知識(shí)。“對(duì)于它的運(yùn)作方式，你可能完全天真。這就是真正的不同之處，”Voigt說(shuō)。“你可以成為高中的學(xué)生，然后進(jìn)入基于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器，輸入你想要的程序，然后將DNA序列吐出來(lái)。”

該語(yǔ)言基于Verilog，它通常用于編程計(jì)算機(jī)芯片。為了創(chuàng)建適用于細(xì)胞的語(yǔ)言版本，研究人員設(shè)計(jì)了計(jì)算元素，如邏輯門和傳感器，可以編碼在細(xì)菌細(xì)胞的DNA中。傳感器可以檢測(cè)不同的化合物，例如氧氣或葡萄糖，以及光，溫度，酸度和其他環(huán)境條件。用戶還可以添加自己的傳感器。“這是非?？啥ㄖ频模?rdquo;Voigt說(shuō)。

他說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)電路中使用的14個(gè)邏輯門，這樣一旦置于活細(xì)胞的復(fù)雜環(huán)境中，它們就不會(huì)相互干擾。

在當(dāng)前版本的編程語(yǔ)言中，這些遺傳部分針對(duì)大腸桿菌進(jìn)行了優(yōu)化，但研究人員正在努力擴(kuò)展其他細(xì)菌菌株的語(yǔ)言，包括常見于人體腸道的擬桿菌和經(jīng)常生活的假單胞菌。在植物根部，以及酵母Saccharomyces cerevisiae。這將允許用戶編寫單個(gè)程序，然后針對(duì)不同的生物編譯它以獲得每個(gè)程序的正確DNA序列。

生物電路

使用這種語(yǔ)言，研究人員編寫了60個(gè)具有不同功能的電路，其中45個(gè)電路在第一次測(cè)試時(shí)正常工作。許多電路設(shè)計(jì)用于測(cè)量一種或多種環(huán)境條件，例如氧氣水平或葡萄糖濃度，并相應(yīng)地作出響應(yīng)。另一個(gè)電路被設(shè)計(jì)為對(duì)三個(gè)不同的輸入進(jìn)行排序，然后根據(jù)每個(gè)輸入的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行響應(yīng)。

其中一條新電路是有史以來(lái)最大的生物電路，包含七個(gè)邏輯門和大約12,000個(gè)堿基對(duì)的DNA。

這種技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是速度快。到目前為止，“構(gòu)建這些類型的電路需要數(shù)年時(shí)間?，F(xiàn)在你只需按下按鈕并立即獲得DNA序列進(jìn)行測(cè)試，”Voigt說(shuō)。

他的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用這種方法研究幾種不同的應(yīng)用：可以吞咽的細(xì)菌，以幫助消化乳糖; 如果它們感覺(jué)植物受到攻擊，那些可以生活在植物根部并產(chǎn)生殺蟲劑的細(xì)菌; 可以設(shè)計(jì)成在發(fā)酵反應(yīng)器中產(chǎn)生過(guò)多有毒副產(chǎn)物時(shí)關(guān)閉的酵母。