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《科学》:科学家研制出可计数事件的生物电路

作者:畜牧业
出处:www.lunrr.com
时间:2020-05-13
作者:风源:中国公共科技网发布时间:2009年

《科学》:科学家开发用于计数事件的生物电路

据《每日科学》5月31日报道,美国麻省理工学院和波士顿大学的工程师们设计了一种细胞,通过使一系列因素按特定顺序运动,形成一个简单的电路,从而可以计算和“记忆”细胞事件。

这个电路类似于计算机芯片中的电路。它可以用来计算细胞分裂的数量或研究某一发展阶段的顺序。它也可以用作生物传感器来计算不同毒素的位置。

研究小组开发了两个细胞计数器,发表在5月29日的杂志《科学》上。尽管这种细胞回路类似于计算机,但研究人员的意图不是制造微型生物计算机。这两篇论文的第一批作者之一,哈佛研究生蒂莫西卢说:“我认为生物电路不一定能完成计算机能完成的任务。”

他认为在细胞中进行精细计算会非常困难,因为控制活细胞比控制硅片要困难得多。相反,研究人员专注于设计微小组件来完成特殊任务。

Ari Friedland,另一位第一作者,说:“我们的目标是设计一个工具来完成细胞功能的某些方面。”其他作者是波士顿大学研究生王晓、博士后石大伟、本科生乔治丘奇和生物工程教授詹姆斯科林斯。

为了便于人们理解他们的概念,研究小组建立了一个可以计数三个细胞事件的电路。事实上,理论上还可以计算更多。第一个计数器叫做RTC计数器,由一系列基因组成,每个基因都能产生一种蛋白质并激活序列中的下一个基因。

受第一事件刺激(例如,糖流入细胞),细胞依次产生第一葡萄糖。一种核糖核酸聚合酶开始触发第二种蛋白质(另一种核糖核酸聚合酶)的产生。

理论上,步骤的顺序只取决于不同核糖核酸聚合酶细菌的数量。卢说,“我们的目标是利用这些基因库建立越来越大的基因库。”计数器的时间以分钟或小时为单位计数,这使得它能够跟踪细胞分裂的过程。这个计数器可以用于将来的老化研究。

RTC计数器可以重新启动以再次计数相同的连续进程,但是它不能“记住”先前的计数。这个团队开发的第二个计数器叫做DIC,它可以对数字存储进行编码,并存储连续的“比特”信息。

这个过程依赖于一种叫做转化酶的酶,它可以截取一段脱氧核糖核酸双螺旋并将其插入其中,从而如预期的那样改变脱氧核糖核酸的序列。

驾驶员信息中心计数器由一系列的脱氧核糖核酸序列组成,每个序列包含一个对应于不同转化酶的基因。当事件触发时,第一个转化酶基因开始转化和重组,然后它翻转脱氧核糖核酸序列并制备第二个转录过程所需的转化酶,同时完成其自身的转化。当触发第二个事件时,再次重复上述过程:产生第二个转化酶,颠倒脱氧核糖核酸序列,并设置第三个转化酶。系统的输出取决于输出基因(例如绿色荧光蛋白基因)插入堆栈并在特定输入后产生的序列,或者取决于细胞脱氧核糖核酸的序列。

Lu说电路理论上可以执行100个步骤(即识别不同类型转化酶的数量)。因为它跟踪特定序列的激发,所以可以用来研究胚胎发育过程。其他潜在的应用包括环境传感器,这些传感器将细胞编程为有害物质,如砷。工程师还能够指定输入过程计数所需的时间,这个时间长度可以介于两个输入之间。这样,他们可以数两个事件而不是一个。他们也可以设计细胞在特定数量的分裂后或者昼夜交替后死亡。

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