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Science：開發(fā)出活細(xì)胞編程語言
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在一項(xiàng)新的研究中，來自美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）、波士頓大學(xué)和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(jì)復(fù)雜的DNA編碼的電路從而給活細(xì)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(biāo)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(cè)某些環(huán)境條件并對(duì)它們作出反應(yīng)。他們?nèi)缓竽軌蛟O(shè)計(jì)出一種DNA序列來實(shí)現(xiàn)這種功能。 論文通信作者、MIT生物工程教授Christopher Voigt說，“它簡(jiǎn)直是細(xì)菌的編程語言。正如你對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)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(duì)它進(jìn)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(xì)胞中，接著細(xì)胞內(nèi)部的生物電路就能夠運(yùn)行它�！� 在這項(xiàng)研究中，研究人員利用這種語言構(gòu)建出能夠檢測(cè)多達(dá)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(jì)細(xì)菌細(xì)胞，當(dāng)它們檢測(cè)到腫瘤時(shí)能夠制造抗癌藥物；或者，設(shè)計(jì)出酵母細(xì)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(jì)劃將這種用戶設(shè)計(jì)接口發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上。 并不需要有經(jīng)驗(yàn) 在過去15年，生物學(xué)家和工程師們?cè)O(shè)計(jì)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(xì)胞功能和加入新的功能。 然而，設(shè)計(jì)每種電路是一種辛苦費(fèi)力的過程，需要大量的專業(yè)知識(shí)，而且經(jīng)常需要大量的試錯(cuò)實(shí)驗(yàn)。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(shí)。 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(duì)計(jì)算機(jī)芯片進(jìn)行編程---為基礎(chǔ)。為了開發(fā)出在細(xì)胞中工作的語言版本，研究人員設(shè)計(jì)了能夠在細(xì)菌細(xì)胞DNA中編碼的計(jì)算元件，如邏輯門和傳感器。這些傳感器能夠檢測(cè)不同的化合物，如氧氣或葡萄糖，也能夠檢測(cè)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，“它是非常可定制化的�！� 他說，最大的挑戰(zhàn)就是設(shè)計(jì)在這些電路中使用的14種邏輯門以至于當(dāng)將它們放入到活細(xì)胞的復(fù)雜環(huán)境中時(shí)，它們彼此之間不會(huì)相互干擾。 在當(dāng)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(xì)菌菌株，包括經(jīng)常在人腸道中發(fā)現(xiàn)的擬桿菌屬細(xì)菌，經(jīng)常在植物根部中生存的假單胞菌屬細(xì)菌，以及釀酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）。這將允許用戶們撰寫單個(gè)程序，然后針對(duì)不同的有機(jī)體進(jìn)行編譯，從而針對(duì)每種有機(jī)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(cè)試時(shí)就能夠正常地工作，而且很多電路能夠測(cè)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(jìn)行排名，然后基于每種輸入的優(yōu)先級(jí)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(jì)出的最大生物電路，含有7個(gè)邏輯門和大約1.2萬個(gè)堿基對(duì)DNA序列。 這種技術(shù)的另一種優(yōu)勢(shì)在于它的快速。Voigt說，在此之前，“它需要數(shù)年時(shí)間設(shè)計(jì)這些類型的電路。如今，你僅僅需要按一下開關(guān)，立即就會(huì)獲得DNA序列進(jìn)行測(cè)試。” 他的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用這種方法開展多種不同的應(yīng)用：細(xì)菌經(jīng)吞咽后協(xié)助乳糖消化；能夠在植物根部生存的細(xì)菌檢測(cè)到植物遭受攻擊時(shí)產(chǎn)生殺蟲劑；酵母經(jīng)改造后當(dāng)它們?cè)诎l(fā)酵反應(yīng)器中產(chǎn)生太多毒性副產(chǎn)品時(shí)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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