科學(xué)家研制出可計(jì)數(shù)事件的生物電路

【資料簡(jiǎn)介】

科學(xué)家研制出可計(jì)數(shù)事件的生物電路

美國(guó)麻省理工大學(xué)和波士頓大學(xué)的工程師設(shè)計(jì)出了一種可以計(jì)算并“記憶”細(xì)胞事件的細(xì)胞，通過(guò)使一系列因子按照特定順序活動(dòng)而形成的簡(jiǎn)單電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。
 
    這種電路與電腦芯片中的類似，能夠用于計(jì)數(shù)細(xì)胞分裂的次數(shù)或者研究某個(gè)發(fā)展階段的順序，也能用作生物傳感器來(lái)計(jì)數(shù)不同毒素的方位。
 
    研究小組開(kāi)發(fā)了兩種細(xì)胞計(jì)數(shù)器，發(fā)表在5月29日的《科學(xué)》雜志上。雖然這種細(xì)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(xué)研究生Timothy Lu說(shuō)：“我認(rèn)為生物電路并不一定能夠完成電腦能夠完成的事情。”
 
    他認(rèn)為，在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行精細(xì)的計(jì)算將非常困難，因?yàn)榭刂苹罴?xì)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(jì)微型的部件來(lái)完成特別的任務(wù)。
 
    另一名*作者Ari Friedland說(shuō)：“我們的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種能夠完成細(xì)胞一些方面功能的工具”。其他幾名作者分別為波士頓大學(xué)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(gè)能夠計(jì)數(shù)的三個(gè)細(xì)胞事件的電路。其實(shí)，理論上能夠計(jì)算的更多。*個(gè)計(jì)數(shù)器被稱為RTC計(jì)數(shù)器，由一系列基因組成，每一個(gè)基因能夠生成一個(gè)蛋白質(zhì)并按順序激活下一個(gè)基因。
 
    在*個(gè)事件（如，糖流入細(xì)胞中）的刺激下，細(xì)胞按順序產(chǎn)生了*個(gè)葡萄糖。一個(gè)RNA（核糖核酸）聚合酶開(kāi)始引發(fā)第二個(gè)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(shuō)“我們的目標(biāo)是用這些基因庫(kù)建立越來(lái)越大的層疊”。計(jì)數(shù)器的時(shí)間以分鐘或小時(shí)計(jì)算，這使得它能夠追蹤細(xì)胞的分裂過(guò)程。這個(gè)計(jì)數(shù)器將來(lái)可以用于對(duì)衰老的研究。
 
    RTC計(jì)數(shù)器能夠被重啟后再次計(jì)數(shù)同一個(gè)連續(xù)過(guò)程，但是它無(wú)法“記憶”曾經(jīng)的計(jì)數(shù)。這個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的第二個(gè)計(jì)數(shù)器名叫DIC，它能夠編碼數(shù)字存儲(chǔ)，存儲(chǔ)連續(xù)的“比特”信息。
 
    這一過(guò)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(gè)片段，并將它翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)重新插入，從而能夠按照預(yù)想改變DNA的順序。
 
    DIC計(jì)數(shù)器由一系列DNA序列組成，每一個(gè)序列包含一種對(duì)應(yīng)于不同轉(zhuǎn)化酶的基因。當(dāng)有事件觸發(fā)后，*個(gè)轉(zhuǎn)化酶基因開(kāi)始轉(zhuǎn)化重組，然后它將DNA序列進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，并在結(jié)束自己轉(zhuǎn)化的同時(shí)準(zhǔn)備好第二個(gè)轉(zhuǎn)錄過(guò)程需要的轉(zhuǎn)化酵素。當(dāng)?shù)诙€(gè)事件促發(fā)后，上面的過(guò)程再次重復(fù)：第二個(gè)轉(zhuǎn)化酵素生成，翻轉(zhuǎn)DNA序列，設(shè)置第三個(gè)轉(zhuǎn)化酵素。系統(tǒng)的輸出取決于一個(gè)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(lái)的順序，或者取決于細(xì)胞DNA的順序。
 
    Lu說(shuō)，這個(gè)電路理論上可以進(jìn)行100步（即被確認(rèn)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(guò)程的研究。其他潛在的應(yīng)用包括為細(xì)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(gè)輸入過(guò)程需要的時(shí)間來(lái)計(jì)數(shù)，并且這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度能夠落在兩次輸入之間。這樣他們就能夠計(jì)數(shù)兩個(gè)事件而不是一個(gè)。他們還能設(shè)計(jì)使細(xì)胞在某一特定數(shù)目的分裂后或者晝夜交替后死亡。