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连接到细胞中的基因电路引发类似开关的行为输出

电子小玩意和活细胞都可以处理信号,将输入转换为输出 - 甚至可以识别灰色区域信号是否足够暗或足够轻,以证明黑白分辨。在细胞中,这种信号处理是分化和发展等过程的根源。想象一下,如果有人可以破解这样的过程!人们可以重新设计人体细胞,指导免疫和干细胞功能,并实现新的基于细胞的治疗方法。

连接到细胞中的基因电路引发类似开关的行为输出

听起来不错,对吗?但是,有一个问题。细胞从未听说过Radio Shack。也就是说,它们不依赖于标准化的电路元件,这很大程度上要归功于合成生物学家的挫败感,对于他们而言,蜂窝电路的再造可能像将烙铁带到印刷电路板一样棘手。迄今为止,合成生物学家已经能够重建和模拟更简单形式的基于细胞的信号处理。但更复杂的形式,即对连续多价信号的二元响应背后的形式,已被证明是难以捉摸的。

尽管如此,代表莱斯大学,波士顿大学,麻省理工学院,哈佛大学,布罗德研究所和布兰迪斯大学的科学家们都可以将模拟到数字的能力带到合成生物学。这些科学家使用称为协同装配的生化过程来设计能够解码频率相关信号并进行动态信号滤波的遗传电路。换句话说,遗传电路可以像可调谐的模数转换器一样工作。

这项工作的细节发表在4月18日的科学杂志上,题目为“使用合作调控组件的合成基因电路中的复杂信号处理。”文章建议,合作组装可以编程,以微调数字化的细胞行为。 - 模拟频谱,大大扩展了合成电路可用的可操作行为。

在本质上,对环境刺激的全有或全无的反应通常依赖于合作自组装。“几种叫做转录因子的蛋白质自组装成一个更大的复合体,”莱斯大学生物工程和生物科学助理教授Caleb Bashor博士解释说,他是当前研究的共同主要作者之一。“只有当他们走到一起时才会抛出开关。”

在当前的研究中,通过合成蛋白质组分的模块化系统模拟了合作自组装。在该系统中,组件可以组装成不同大小的复合物。当被设计到细胞中时,该系统允许编程对定义的刺激的细胞反应。例如,在当前的研究中,酵母细胞被编程以响应通过微流体装置以不同浓度施用的两种不同药物。

“使用模型引导的方法,我们表明,指定装配子单元的强度和数量可以实现单输入和多输入电路的线性和非线性调节响应之间的预测性调整,”该文章的作者写道。“我们证明可以调整组件以控制电路动态。我们利用这种能力来设计执行动态滤波的电路,从而在细胞群中实现频率相关解码。“

酵母内部产生的组分分子的浓度响应于模拟输入 - 测试室中药物的浓度而上升和下降。

“基本上,这些成分相互之间具有极弱的相互作用,”Bashor说。“但是,在更大的复杂情况下,所有这些弱势互动都会加剧到非常紧张的事情。所以,当它们中只有很少一个漂浮时,它们就不会形成复杂的东西。当他们达到临界关注时,他们会看到彼此,他们基本上可以聚在一起形成复合体。“

响应的清晰度 - 在准确的预期时间内快速发生 - 是数字精度的关键。“将这种类型的响应设计到转录因子中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,时间依赖滤波,甚至是频率解码,”Ahmad“Mo”Khalil博士说。 ,波士顿大学助理教授和当前研究的通讯作者。

Bashor,Khalil和他的同事设计了含有少至两个转录因子成分和多达六个的激活复合物,他们的实验表明复合物越大,临界反应越尖锐。

伦敦帝国理工学院生物工程系的合成基因组工程读者汤姆埃利斯说:“这项工作是合成生物学的一个重要问题,它解决了细胞如何在DNA水平上处理信息的一个主要问题。”在研究中。“众所周知,大自然已经完善了非常强大的信息处理,只有少量部件,但由于它们的复杂性,在人体细胞中几乎不可能对其如何工作进行去卷积。

“通过重建人类细胞在DNA水平上处理信息的方式,但在具有合成部分的简单酵母细胞模型中,他们能够从第一原理重建复杂信号。这是一个很好的例子,说明像工程师一样思考如何解开一种新的方式来回答主要的生物学问题。“

展望未来,Bashor的Rice实验室计划使用模拟 - 数字转换器和其他合成基因电路来探索和操纵指导免疫和干细胞功能的调控程序,着眼于开发基于工程人体细胞的转化细胞疗法。

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