科学家通过计算机编码”黑入”活体细胞改变功能

  科学家发明了一种足以使合成生物学发生革命性变化的新方法,使得我们对活体细胞的控制能力向前跃进了一大步。只需使用一种简单的计算机编程语言,科学家就能“黑进”一个活体细胞中,并对细胞的功能做出轻微的修改。

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  有了这样的基础,任何人都能轻松地为活体细胞写入新的功能,让它们执行各种各样的任务。通过改变模仿物理电路的“DNA电路”的基因结构,美国的生物工程师们成功地改写了细菌的“编码”,根据环境因素改变了它们的功能。

  就像编写计算机软件一样,科学家可以使用一种基于文本、并转移到细胞DNA中的编程语言,为细胞编入新的功能。“这就像是为细菌设计的编程语言,”麻省理工的一名生物工程师克里斯托弗·沃格特教授(Christopher Voigt)说道,“你可以先像用计算机编程一样,使用文本语言,然后对其进行编辑,让文本转化为放入细胞中的DNA序列,电路就可以在细胞内部流通了。”

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人们可以用计算机程序设计出人造DNA,并将其嵌入大肠埃希氏菌中。在特定的条件下,如酸碱度、葡萄糖、光线和温度等条件发生变化时,电路的开关就会被启动,并且该过程能够实现“私人定制”。

  合成生物学是一个新的研究领域,即我们可以通过人为的操纵改变微生物的功能,如生产材料、吃掉废弃物、甚至精确地将药物送到人体内特定的地点等。通过生成DNA电路,生物工程师们可以让细胞按照特定的环境因素,遵循一系列逻辑步骤。

  例如,如果周围的pH值降到了特定水平以下,一个基因开关就会启动,从而加速某种特定蛋白质的分泌,如胰岛素等。运用到实际当中,这意味着只要增加细胞周边环境的酸性,就可以促进胰岛素的分泌。

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合成生物学是一个新的研究领域,即我们可以通过人为的操纵改变微生物的功能,如生产材料、吃掉废弃物、甚至精确地将药物送到人体内特定的地点等。

  麻省理工的研究团队使用一种名为Verilog的编程语言,设计了一些逻辑电路,然后使用一种名叫Cello的系统,将其编入合成的DNA环状分子(又名质粒)中。接下来,他们利用目前向微生物中添加新基因的技术,将这些人造质粒嵌入到大肠埃希氏菌中。

  这一方法非常简单,即使在基因方面毫无经历的人也可以设计出人造电路,只需使用一个负责将计算机代码转换成基因功能代码的网络程序,就能设计出一个电路,为细胞增添新的功能。

  “你可以对它的原理一无所知,但依然能照用不误,这就是这种方法的特别之处。”沃格特说道,“你可能只是一名高中生,只需在网络服务器上写出你想要的程序,它就能自动转化为DNA序列。”

  在实验中,这支麻省理工的研究团队根据一连串实验结果,设计出一系列逻辑门,分别通往不同的路径,并将其成功写入了DNA中,并转移进了大肠埃希氏菌的细胞里。

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该团队设计的电路之一包含7个步骤,据称是目前规模最大的生物电路。改良过的大肠埃希氏菌可以用来治疗一些常见疾病,如乳糖不耐症等。

 

这些电路能够检测出不同的成分,如氧气、葡萄糖,还有光线、温度、酸碱度及其它环境条件等。此外,这一过程还可以实现“私人订制”,使用者可以向其中加入其它功能。该团队设计的电路之一包含7个步骤,据称是目前规模最大的生物电路。

  细胞会同时接收到多个输入源,因此主要的挑战在于,设计出的电路在细胞内部不能对彼此造成干扰。虽然该系统是专为大肠埃希氏菌设计的,但该研究团队表示,他们正在计划对使用的编程语言稍加改动,好用在其它细菌身上,如在人类内脏中找到的细菌等。

  “建造这些电路本来可能要花上很多年工夫。但现在你只需要按下按钮,就能立刻得到一段DNA序列、并用它进行测试了。”沃格特教授说道。

文  新浪科技(叶子)

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