科學家研制出可計數(shù)事件的生物電路

【資料簡介】

科學家研制出可計數(shù)事件的生物電路

美國麻省理工大學和波士頓大學的工程師設(shè)計出了一種可以計算并“記憶”細胞事件的細胞，通過使一系列因子按照特定順序活動而形成的簡單電路來實現(xiàn)。
 
    這種電路與電腦芯片中的類似，能夠用于計數(shù)細胞分裂的次數(shù)或者研究某個發(fā)展階段的順序，也能用作生物傳感器來計數(shù)不同毒素的方位。
 
    研究小組開發(fā)了兩種細胞計數(shù)器，發(fā)表在5月29日的《科學》雜志上。雖然這種細胞電路與電腦的類似，研究者的意圖卻并非制造微型生物電腦。兩篇論文的*作者之一，哈佛大學研究生Timothy Lu說：“我認為生物電路并不一定能夠完成電腦能夠完成的事情。”
 
    他認為，在細胞內(nèi)進行精細的計算將非常困難，因為控制活細胞要比硅芯片困難的多。取而代之的是，研究者專注于設(shè)計微型的部件來完成特別的任務。
 
    另一名*作者Ari Friedland說：“我們的目標是設(shè)計一種能夠完成細胞一些方面功能的工具”。其他幾名作者分別為波士頓大學的研究生王曉（音），博士后石大偉（音），本科生George Church和生物工程教授James Collins。
 
    為了便于人們理解他們的概念，研究小組建立了一個能夠計數(shù)的三個細胞事件的電路。其實，理論上能夠計算的更多。*個計數(shù)器被稱為RTC計數(shù)器，由一系列基因組成，每一個基因能夠生成一個蛋白質(zhì)并按順序激活下一個基因。
 
    在*個事件（如，糖流入細胞中）的刺激下，細胞按順序產(chǎn)生了*個葡萄糖。一個RNA（核糖核酸）聚合酶開始引發(fā)第二個蛋白質(zhì)（另一種RNA聚合酶）的產(chǎn)生。
 
    理論上，步驟的順序僅僅取決于不同RNA聚合酶菌的數(shù)量。Lu說“我們的目標是用這些基因庫建立越來越大的層疊”。計數(shù)器的時間以分鐘或小時計算，這使得它能夠追蹤細胞的分裂過程。這個計數(shù)器將來可以用于對衰老的研究。
 
    RTC計數(shù)器能夠被重啟后再次計數(shù)同一個連續(xù)過程，但是它無法“記憶”曾經(jīng)的計數(shù)。這個團隊開發(fā)的第二個計數(shù)器名叫DIC，它能夠編碼數(shù)字存儲，存儲連續(xù)的“比特”信息。
 
    這一過程有賴于一種叫做轉(zhuǎn)化酵素的酶，它能截取DNA雙螺旋的一個片段，并將它翻轉(zhuǎn)過來重新插入，從而能夠按照預想改變DNA的順序。
 
    DIC計數(shù)器由一系列DNA序列組成，每一個序列包含一種對應于不同轉(zhuǎn)化酶的基因。當有事件觸發(fā)后，*個轉(zhuǎn)化酶基因開始轉(zhuǎn)化重組，然后它將DNA序列進行翻轉(zhuǎn)，并在結(jié)束自己轉(zhuǎn)化的同時準備好第二個轉(zhuǎn)錄過程需要的轉(zhuǎn)化酵素。當?shù)诙€事件促發(fā)后，上面的過程再次重復：第二個轉(zhuǎn)化酵素生成，翻轉(zhuǎn)DNA序列，設(shè)置第三個轉(zhuǎn)化酵素。系統(tǒng)的輸出取決于一個輸出基因（如綠熒光蛋白基因）被插入到層疊中并且在某一特定的輸入后產(chǎn)生出來的順序，或者取決于細胞DNA的順序。
 
    Lu說，這個電路理論上可以進行100步（即被確認的不同轉(zhuǎn)化酶的種類數(shù)）。由于它追蹤某種特定順序的激發(fā)，可用于胚胎發(fā)育過程的研究。其他潛在的應用包括為細胞編程使之成為有害物質(zhì)（如砷）的環(huán)境傳感器等。工程師也將能夠一個輸入過程需要的時間來計數(shù)，并且這個時間長度能夠落在兩次輸入之間。這樣他們就能夠計數(shù)兩個事件而不是一個。他們還能設(shè)計使細胞在某一特定數(shù)目的分裂后或者晝夜交替后死亡。