近年來，研究人員在設計和創(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測的響應，但隨著更多此類元素的組合，這些結果變得難以預測。

麻省理工學院的一組研究人員現在已經想出了一種大大降低這種不可預測性的方法，引入了一種設備，該設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測。這項發(fā)現發(fā)表在本周的《自然生物技術》雜志上，該論文由機械工程副教授Domitilla Del Vecchio和生物工程學教授Ron Weiss撰寫。

該論文的主要作者是麻省理工學院生物工程研究生Deepak Mishra。其他作者包括機械工程領域的碩士研究生Phillip Rivera和電氣工程和計算機科學領域的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生特定的響應輸出。” 一個例子：可以檢測指示癌細胞存在的標記物，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，由細胞內的生物元素創(chuàng)建的強大的信息處理電路變得“至關重要”，Weiss說。

迄今為止，這種穩(wěn)健的可預測性還不可行，部分原因是引入生物電路的多個階段時的反饋效應。出現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雜的流體環(huán)境中都漂浮在一起的組件組成。牢房的內部。

信息流是由各個組件的化學相互作用驅動的，理想情況下，該化學相互作用僅應影響其他特定組件。但是實際上，建立這種生物聯系的嘗試往往產生與預期不同的結果。

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的設備稱為負載驅動器，其作用類似于電子電路中使用的負載驅動器：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，可能需要數年才能達到商業(yè)應用，但該概念可能具有廣泛的應用。例如，它可能導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，將此負載驅動器添加到設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計的電路的復雜性，”開辟了新的可能的應用，同時確保其操作“健壯且可預測”。 ”

波士頓大學生物醫(yī)學工程學教授詹姆斯·柯林斯(James Collins)并未參與此項研究。他說：“合成生物學創(chuàng)建復雜基因電路的努力通常受到電路子模塊之間無法預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，導致不良的電路行為。”

但是現在，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，在該領域取得了重大進展，從而帶來了更加可預測的回路行為。”

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