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科学家对细胞进行编程以记住并响应一系列刺激

2019-01-18 09:56:26 • 来源：

合成生物学允许研究人员对细胞进行编程以执行新功能，例如响应特定化学物质发荧光或产生响应疾病标记的药物。为了设计更复杂的蜂窝电路，麻省理工学院的工程师现在已经编程了单元来记忆和响应一系列事件。

科学家对细胞进行编程以记住并响应一系列刺激

研究人员说，这些细胞能够以正确的顺序记住多达三种不同的输入，但这种方法应该是可扩展的，以包含更多的刺激。使用该系统，科学家可以跟踪以特定顺序发生的细胞事件，创建存储复杂历史的环境传感器，或编程细胞轨迹。“如果将内存元素与计算结合在一起，就可以构建非常复杂的计算系统，” 电子工程与计算机科学与生物工程副教授，麻省理工学院研究实验室合成生物学组负责人Timothy Lu说。电子产品。

这种方法允许科学家创建生物“状态机” - 存在于不同状态的设备，这取决于它们接收的输入的身份和顺序。研究人员还创建了软件，帮助用户设计实现具有不同行为的状态机的电路，然后可以在单元中进行测试。

Lu是这项新研究的资深作者，该研究发表在7月22日的“ 科学”杂志上。麻省理工学院和哈佛大学研究生纳撒尼尔·罗凯特是论文的第一作者。该论文的其他作者包括电气工程和计算机科学副教授Scott Aaronson，麻省理工学院最近的毕业生Ava Soleimany，以及最近的韦尔斯利学院毕业生Alyssa Ferris。

长期记忆

2013年，Lu及其同事设计了可以执行逻辑功能的单元电路，然后通过在其DNA中编码来存储事件的存储器。

他们在新论文中设计的状态机电路依赖于称为重组酶的酶。当通过细胞中的特定输入激活时，例如化学信号，重组酶可以删除或反转特定的DNA片段，这取决于称为识别位点的两个DNA靶序列的方向。这些位点之间的DNA段可能包含响应不同输入的其他重组酶的识别位点。如果稍后激活第二种或第三种重组酶，翻转或删除这些位点会改变DNA会发生什么。因此，可以通过对其DNA进行测序来确定细胞的历史。

在该系统的最简单版本中，只有两个输入，电路有五种可能的状态：状态既不对应输入，也不对应输入A，仅对输入B，A对应B，B对应A。研究人员还设计和构建的电路记录三个输入，其中16个状态是可能的。

在这项研究中，研究人员对大肠杆菌细胞进行编程，以响应实验室实验中常用的物质，包括ATc(抗生素四环素的类似物)，一种叫做阿拉伯糖的糖和一种叫做DAPG的化学物质。然而，对于医学或环境应用，重组酶可以被重新设计以响应其他条件，例如酸度或特定转录因子(控制基因表达的蛋白质)的存在。

基因控制

在创建了可记录事件的电路后，研究人员随后将基因与遗传调控元件一起纳入重组酶结合位点阵列。在这些电路中，当重组酶重排DNA时，电路不仅记录信息，还控制哪些基因打开或关闭。

研究人员用三种基因测试了这种方法，这三种基因编码不同的荧光蛋白 - 绿色，红色和蓝色，构建了一个电路，表示荧光蛋白的不同组合，用于每个身份和两个输入的顺序。例如，当携带该电路的电池接收输入A然后输入B时，它们发出红色和绿色荧光，而在A发出红色和蓝色荧光之前接收到B的电池。

Lu的实验室现在希望使用这种方法来研究由一系列事件控制的细胞过程，例如细胞因子或其他信号分子的出现，或某些基因的激活。

“我们不仅可以记录和响应生物事件的组合，而且还可以记录它们的命令，这一想法开辟了许多潜在的应用。关于哪些因素调节特定细胞类型的分化或导致某些疾病的进展，我们知道很多，但对这些因素的时间组织知之甚少。这是我们希望通过我们的设备深入研究的领域之一，“Roquet说。

例如，科学家可以利用这种技术跟踪干细胞或其他未成熟细胞的轨迹，进入分化的成熟细胞类型。他们还可以跟踪癌症等疾病的进展。最近的一项研究表明，获得致癌突变的顺序可以决定疾病的行为，包括癌细胞如何对药物产生反应并发展成肿瘤。此外，工程师可以使用此处开发的状态机平台来编程细胞功能和分化途径。

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