近年來，研究人員在設(shè)計和創(chuàng)建生物電路方面取得了長足的進步。生物電路與電子電路一樣，可以接受許多不同的輸入并提供特定種類的輸出。但是，盡管此類生物回路的各個組件可以具有精確且可預(yù)測的響應(yīng)，但隨著更多此類元素的組合，這些結(jié)果變得難以預(yù)測。

麻省理工學(xué)院的一組研究人員現(xiàn)在已經(jīng)想出了一種大大降低這種不可預(yù)測性的方法，引入了一種設(shè)備，該設(shè)備最終可以使這種電路的行為幾乎與電子同類電路一樣可預(yù)測。這項發(fā)現(xiàn)發(fā)表在本周的《自然生物技術(shù)》雜志上，該論文由機械工程副教授Domitilla Del Vecchio和生物工程學(xué)教授Ron Weiss撰寫。

該論文的主要作者是麻省理工學(xué)院生物工程研究生Deepak Mishra。其他作者包括機械工程領(lǐng)域的碩士研究生Phillip Rivera和電氣工程和計算機科學(xué)領(lǐng)域的Allen Lin。

Del Vecchio和Weiss解釋說，這種合成生物回路有許多潛在用途。Del Vecchio說：“我們正在研究的一種特定的是生物傳感-細胞可以檢測環(huán)境中的特定分子并產(chǎn)生特定的響應(yīng)輸出。” 一個例子：可以檢測指示癌細胞存在的標(biāo)記物，然后觸發(fā)釋放旨在殺死這些細胞的分子的細胞。

Weiss說，重要的是，這類電路必須能夠準(zhǔn)確區(qū)分癌細胞和非癌細胞，因此它們不會在錯誤的位置釋放殺傷力。為了做到這一點，由細胞內(nèi)的生物元素創(chuàng)建的強大的信息處理電路變得“至關(guān)重要”，Weiss說。

迄今為止，這種穩(wěn)健的可預(yù)測性還不可行，部分原因是引入生物電路的多個階段時的反饋效應(yīng)。出現(xiàn)問題是因為與電子電路不同，在電子電路中，一個組件通過導(dǎo)線物理連接到下一個，以確保信息始終沿特定方向流動，而生物電路則由在整個復(fù)雜的流體環(huán)境中都漂浮在一起的組件組成。牢房的內(nèi)部。

信息流是由各個組件的化學(xué)相互作用驅(qū)動的，理想情況下，該化學(xué)相互作用僅應(yīng)影響其他特定組件。但是實際上，建立這種生物聯(lián)系的嘗試往往產(chǎn)生與預(yù)期不同的結(jié)果。

Del Vecchio說：“如果將電路組合在一起，并且期望得到答案'X'，而得到的答案卻是'Y'，那將是一個很大的問題。”

團隊為解決該問題而生產(chǎn)的設(shè)備稱為負載驅(qū)動器，其作用類似于電子電路中使用的負載驅(qū)動器：它在信號和輸出之間提供一種緩沖，從而防止了信號的影響。通過系統(tǒng)備份并導(dǎo)致輸出延遲。

研究人員說，盡管這是相對早期的研究，可能需要數(shù)年才能達到商業(yè)應(yīng)用，但該概念可能具有廣泛的應(yīng)用。例如，它可能導(dǎo)致合成的生物回路不斷測量糖尿病患者血液中的葡萄糖水平，并在需要時自動觸發(fā)胰島素的釋放。

Del Vecchio說，將此負載驅(qū)動器添加到設(shè)計生物電路的人員可以使用的組件中，“可能會升級您可以設(shè)計的電路的復(fù)雜性，”開辟了新的可能的應(yīng)用，同時確保其操作“健壯且可預(yù)測”。 ”

波士頓大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)教授詹姆斯·柯林斯(James Collins)并未參與此項研究。他說：“合成生物學(xué)創(chuàng)建復(fù)雜基因電路的努力通常受到電路子模塊之間無法預(yù)料或無法表征的相互作用的阻礙。這些相互作用改變了子模塊的輸入輸出特性，導(dǎo)致不良的電路行為。”

但是現(xiàn)在，柯林斯說：“德爾·韋基奧和韋斯通過創(chuàng)建一種能夠解釋和糾正這種相互作用的遺傳裝置，在該領(lǐng)域取得了重大進展，從而帶來了更加可預(yù)測的回路行為。”

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