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合成生物学家将模数信号处理添加到活细胞的遗传电路中

放大字体  缩小字体 发布日期:2025-01-13 10:22:31    来源:本站    作者:admin    浏览次数:74    评论:0
导读

      合成生物学家在活细胞的遗传电路中加入了高精度的模数信号处理。今天发表在《科学》(Science)杂志网络版上的这项研

  

  

  合成生物学家在活细胞的遗传电路中加入了高精度的模数信号处理。今天发表在《科学》(Science)杂志网络版上的这项研究,极大地扩展了工程师可以使用的化学、物理和环境线索,以促使工程生物体做出程序化反应。

  莱斯大学的Caleb Bashor、波士顿大学的Ahmad“Mo”Khalil以及来自麻省理工学院、哈佛大学、Broad研究所和布兰代斯大学的同事们利用一种被称为合作组装的生化过程,设计出了既能解码频率相关信号又能进行动态信号滤波的基因电路。

  “你可以把协同性想象成同样类型的信号处理特征,给你一个模数转换器,一个基本上是线性的东西,把它变成开关的设备,”basor说,他是这项研究的共同主要作者,也是莱斯布朗工程学院的生物工程助理教授。

  综合工程合作组装使研究人员能够执行细胞自然而优雅地完成复杂任务的组合信号处理类型,例如胚胎发育和分化。

  “这项工作是合成生物学的杰作,解决了细胞如何在DNA水平上处理信息的主要问题,”伦敦帝国理工学院生物工程系合成基因组工程专业的读者汤姆·埃利斯(Tom Ellis)说,他没有参与这项研究。“众所周知,大自然仅用少数部分就完善了非常强大的信息处理,但由于人类细胞的复杂性,精确地反卷积其工作原理几乎是不可能的。通过重建人类细胞在DNA水平上处理信息的方式,但在一个简单的酵母细胞模型中,他们已经能够从基本原理中重建复杂的信号。这是一个很好的例子,说明如何像工程师一样思考,可以解开回答重大生物学问题的新方法。”

  在自然界中,细胞常常不得不根据灰色信息做出非黑即白的决定。例如,假设一个细胞有一个基因可以让它在高酸性环境中生存,但它需要大量的能量来激活这个基因并获得保护。经过数十亿年的自然选择,过早或过晚激活基因的细胞会被那些在最佳时间做出决定以确保生存并消耗最少能量的细胞所淘汰。

  “这种精度在合成电路中也是一个理想的特性,”Bashor说,他于2018年加入莱斯大学,并在几年前在波士顿大学做博士后期间开始了这个项目。“大自然通常通过一种称为合作自组装的过程来完成,在这种过程中,几种称为转录因子的蛋白质自组装成一个更大的复合体。只有当他们走到一起时,开关才会打开。”

  Bashor、Khalil和同事们发明了一种合成蛋白质组件的模块化系统,可以组装成不同大小的复合物,从而设计了协作自组装。在这个系统中,工程细胞被编程为根据工程师希望用来激活电路的任何输入来生产组装部件。例如,在他们的实验中,Bashor、Khalil和同事们通过微流体装置对两种不同浓度的药物进行编程,使酵母对这两种不同的药物产生反应。

  通过这种方式,酵母内部产生的成分分子的浓度随着模拟输入(测试室中药物的浓度)而上升或下降。

  “基本上,这些成分以极弱的相互作用相互结合,”Bashor说。“但所有这些弱相互作用加在一起,在一个更大的综合体中,形成了一个非常紧密的东西。所以,当它们很少的时候,它们不会形成络合物。当它们达到临界浓度时,它们会看到彼此,它们基本上可以聚集在一起,形成复合物。”

  响应的清晰度——在预定时间迅速发生——是数字精度的关键。Bashor和Khalil设计了激活复合物,其中包含的转录因子成分少则两种,多则六种。他们的实验表明,复合物越大,临界反应就越强烈。

  该研究的通讯作者Khalil说:“将这种类型的反应设计成转录因子是允许我们对细胞进行编程以执行各种复杂功能的核心,例如布尔逻辑,时间相关过滤甚至频率解码。”

  Bashor说,这个为期四年的项目的大部分时间都花在完善一个预测模型上,该模型可以指导其他工程师使用该系统设计模数转换器,甚至可以对多个输入信号做出预期的响应。

  为了证明这方面的工作,该团队设计并演示了信号处理电路,使人想起微电子学,包括只响应低频药物输入的低通滤波器和只在高频时激活的带阻滤波器。

  “我们的工作表明,转录因子复合物的非线性如何用于合成基因电路中的信号处理工程,扩展其功能和现实世界的效用,”合成生物学家和研究合著者詹姆斯柯林斯说,他在麻省理工学院、哈佛大学和布罗德研究所共同任职。

  展望未来,basor的Rice实验室计划使用模数转换器和其他合成基因电路来探索和操纵引导免疫和干细胞功能的调节程序,着眼于从工程人类细胞中开发转化细胞为基础的治疗方法。

 
(文/admin)
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