科学家节目的细胞记住并回应一系列刺激

 

生物电路设计

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2016年7月

(纳米克新闻)合成生物学允许研究人员对编程细胞进行新功能,以响应于疾病标志物的特定化学或产生药物而致荧光。在进行更复杂的蜂窝电路的步骤中,麻省理工学院工程师现在已经编程了细胞来记住并响应一系列事件。

研究人员说,这些细胞可以记住,最多三种不同的输入,但这种方法应该可以扩展,以纳入更多的刺激。使用该系统,科学家可以跟踪特定顺序发生的蜂窝事件,创建存储复杂历史或程序蜂窝轨迹的环境传感器。“如果将内存元素与计算集成,则可以构建非常复杂的计算系统,”蒂莫西·鲁,电气工程与计算机科学副教授和生物工程,电子学士学队的电子学实验室的合成生物学群体负责人。这一方法允许科学家们创建生物“国家机器” - 根据不同状态存在的设备关于他们收到的输入的身份和订单。研究人员还创建了软件,帮助用户设计具有不同行为的状态机的设计电路,然后可以在单元格中进行测试

“如果您将内存元素与计算集成,可以构建非常复杂的计算系统,”电气工程与计算机科学与生物工程副教授,以及麻省理工学院研究实验室的合成生物学集团负责人电子产品。 (图片:对研究人员的礼貌)Lu是新研究的高级作者,它出现在7月22日问题上 科学 (“基于合成重组酶的活细胞状态机”)。 Nathaniel Roquet,麻省理工学院和哈佛大学研究生,是纸张的主要作者。

本文的其他作者包括电气工程和计算机科学副教授的斯科特Aaronson,最近的麻省理工学院毕业生Ava Somimany,最近的Wellesley College Graduate Alyssa Ferris。

长期记忆

2013年,Lu和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中编码它来存储事件的存储器。状态机电路,它们设计在新纸上依赖于称为重组酶的酶。当通过细胞中的特定输入激活,例如化学信号,重组酶删除或倒置特定的DNA,这取决于称为识别位点的两个DNA靶序列的取向。

这些位点之间的DNA的延伸可以含有响应不同输入的其他重组酶的识别位点。如果稍后被激活,则翻转或删除这些网站改变DNA将发生的情况发生什么。因此,可以通过测序其DNA来确定细胞的历史。在这个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:对应于既不输入的状态,仅输入,输入b,输入b其次是b,b和b随后是a。

研究人员还设计和建造了历史记录三个输入的电路,其中16个州是可能的。本研究中,研究人员编程了大肠杆菌细胞,以应对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,以及称为dapg的化学品。然而,对于医疗或环境应用,可以重新设计重组酶以响应其他条件,例如酸度或特定转录因子的存在(控制基因表达的蛋白质)。

基因控制

在创建可以记录事件的电路之后,研究人员然后将基因掺入重组酶结合位点的阵列中,以及遗传调节元件。在这些电路中,当重组酶重新排列DNA时,电路不仅记录信息,而且还控制了哪种基因被打开或关闭的基因。使用三个基因测试了这种方法,该方法是针对不同荧光蛋白的编码 - 绿色,红色和蓝色,构建表示每个身份的荧光蛋白的不同组合的电路和两个输入的顺序。

例如,当携带该电路的细胞收到输入A的输入B时,它们荧光红色和绿色,而在荧光红色和Blue.lu的实验室之前收到B的细胞现在希望使用这种方法来研究由a控制的蜂窝过程。一系列事件,例如细胞因子或其他信号分子的外观,或某些基因的激活。“这一想法我们可以记录和回应不仅仅是生物事件的组合,而且他们的订单也开辟了很多潜在的应用。

众所周知,关于调节特定细胞类型的分化或导致某些疾病的进展的因素的众所周知,但对这些因素的时间组织知之甚少。 “那是我们希望潜入我们的设备的领域之一,”罗奎特说。例如,科学家们可以使用这种技术遵循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。他们还可以遵循癌症等疾病的进展。

最近的一项研究表明,获得癌症突变的顺序可以确定疾病的行为,包括癌细胞如何应对药物并发展成肿瘤。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差异化途径。麻省理工学院学习代表了“使用生活细胞来执行计算和记录信息的新基准,”Tom Ellis说,高级讲师伦敦帝国学院合成生物学中心。“这些基于重组酶的状态机器开辟了被设计的细胞成为他们环境的时间信息的记录器的可能性,并且可以建立以引导细胞采取行动以响应而采取行动适当的输入字符串,“埃利斯说,尤其不参与研究。 “它’S一个优秀的纸张,使这些基于重组酶的开关良好使用。“

资源: 由Anne Trafton,麻省理工学院

 

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