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Science：開發(fā)出活細胞編程語言
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在一項新的研究中，來自美國麻省理工學(xué)院（MIT）、波士頓大學(xué)和美國國家標準與技術(shù)研究院的研究人員構(gòu)建出一種編程語言，這種編程語言允許他們快速地設(shè)計復(fù)雜的DNA編碼的電路從而給活細胞提供新的功能。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2016年4月1日那期Science期刊上，論文標題為“Genetic circuit design automation”。 利用這種語言，任何人都能夠編寫程序?qū)崿F(xiàn)他們想要的功能，比如檢測某些環(huán)境條件并對它們作出反應(yīng)。他們?nèi)缓竽軌蛟O(shè)計出一種DNA序列來實現(xiàn)這種功能。 論文通信作者、MIT生物工程教授Christopher Voigt說，“它簡直是細菌的編程語言。正如你對計算機進行編程那樣，你使用一種基于文本的語言。然后，你獲取這種文本，對它進行編譯，并將它轉(zhuǎn)化為一種DNA序列，這樣你能夠?qū)⑦@種序列放入細胞中，接著細胞內(nèi)部的生物電路就能夠運行它。” 在這項研究中，研究人員利用這種語言構(gòu)建出能夠檢測多達3種輸入并以不同方式作出反應(yīng)的電路。這種編程的未來應(yīng)用包括設(shè)計細菌細胞，當它們檢測到腫瘤時能夠制造抗癌藥物；或者，設(shè)計出酵母細胞，如果太多毒性的副產(chǎn)品堆積的話，那么它們就能夠阻止它們自己的發(fā)酵過程。研究人員計劃將這種用戶設(shè)計接口發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。 并不需要有經(jīng)驗 在過去15年，生物學(xué)家和工程師們設(shè)計出很多基因組件（genetic part），如傳感器、記憶開關(guān)和生物鐘，它們能夠組合在一起修飾現(xiàn)有的細胞功能和加入新的功能。 然而，設(shè)計每種電路是一種辛苦費力的過程，需要大量的專業(yè)知識，而且經(jīng)常需要大量的試錯實驗。Voigt說，“你不得不真正地了解這些組件如何工作以及它們?nèi)绾螀f(xié)同發(fā)揮作用�！� 然而，利用這種新的編程語言，人們就不需要特別地了解基因工程方面的知識。 Voigt說，“你完全不需要了解它是如何工作的。這就是它與眾不同之處。你可以是一名高中生，訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，輸入你想要的程序，它就返回所需的DNA序列�！� Voigt說，這種語言是以Verilog---經(jīng)常被用來對計算機芯片進行編程---為基礎(chǔ)。為了開發(fā)出在細胞中工作的語言版本，研究人員設(shè)計了能夠在細菌細胞DNA中編碼的計算元件，如邏輯門和傳感器。這些傳感器能夠檢測不同的化合物，如氧氣或葡萄糖，也能夠檢測光線、溫度、酸度和其他環(huán)境條件。用戶們也能夠加入他們自己的傳感器。Voigt說，“它是非�？啥ㄖ苹�。” 他說，最大的挑戰(zhàn)就是設(shè)計在這些電路中使用的14種邏輯門以至于當將它們放入到活細胞的復(fù)雜環(huán)境中時，它們彼此之間不會相互干擾。 在當前的編程語言版本中，這些基因組件在大腸桿菌中得到優(yōu)化，但是研究人員正在努力將這種語言延伸到其他的細菌菌株，包括經(jīng)常在人腸道中發(fā)現(xiàn)的擬桿菌屬細菌，經(jīng)常在植物根部中生存的假單胞菌屬細菌，以及釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）。這將允許用戶們撰寫單個程序，然后針對不同的有機體進行編譯，從而針對每種有機體獲得合適的DNA序列。 生物電路 利用這種語言，研究人員編程了60種不同功能的電路，其中的45種在他們第一次測試時就能夠正常地工作，而且很多電路能夠測量一種或多種環(huán)境條件，如氧氣水平或葡萄糖濃度，并且相應(yīng)地作出反應(yīng)。還有一種電路能夠?qū)θN不同的輸入進行排名，然后基于每種輸入的優(yōu)先級作出反應(yīng)。 在這些新的電路中，有一種電路是有史以來設(shè)計出的最大生物電路，含有7個邏輯門和大約1.2萬個堿基對DNA序列。 這種技術(shù)的另一種優(yōu)勢在于它的快速。Voigt說，在此之前，“它需要數(shù)年時間設(shè)計這些類型的電路。如今，你僅僅需要按一下開關(guān)，立即就會獲得DNA序列進行測試�！� 他的團隊計劃利用這種方法開展多種不同的應(yīng)用：細菌經(jīng)吞咽后協(xié)助乳糖消化；能夠在植物根部生存的細菌檢測到植物遭受攻擊時產(chǎn)生殺蟲劑；酵母經(jīng)改造后當它們在發(fā)酵反應(yīng)器中產(chǎn)生太多毒性副產(chǎn)品時能夠停止發(fā)酵。 原文 Genetic circuit design automation http://science.sciencemag.org/content/352/6281/aac7341 |
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gorgan7樓
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