麻省理工学院的团队构建合成生物学最复杂的电路

以基因为通用件,合成生物学家设计细胞电路可以执行新功能,如传感环境条件。然而,可以在这样的电路实现的复杂性限制了关键的瓶颈:很难组装遗传成分,不相互干扰。

与电子电路在一个硅芯片、生物电路在一个细胞不能从另一个物理隔离。“细胞是一种玉米煎饼。一切都混合在一起,”克里斯托弗•沃伊特说麻省理工学院的生物工程副教授。

因为所有阅读基因和蛋白质合成的细胞机制是混在一起,研究人员必须小心,控制蛋白质合成电路的一部分不妨碍其他部分的电路。

沃伊特和他的学生现在已经开发了电路元件,不互相干扰,使他们产生有史以来最复杂的合成电路。描述的电路,在10月7日的《自然》杂志上,集成了4个传感器对不同分子。这种电路可以用于细胞精确监控他们的环境和适当的反应。

“这是极其复杂的,缝合在一起的所有这些碎片,“沃伊特说,他是麻省理工学院的合成生物学中心主任。大电路需要计算机程序,沃伊特和他的学生正在发展中,应该允许他们把数以百计的电路在新而有效的方式。

论文的第一作者是麻省理工学院博士后Tae Seok月球。其他作者是麻省理工学院博士后Chunbo卢和艾尔文Tamsir,研究生在旧金山加州大学。

扩大的可能性

以前,沃伊特设计了很多的细菌,这些细菌会回应光和捕捉摄影图像,以及其他可以检测低氧含量和高细胞密度——这两种情况中常见肿瘤。然而,不管最终的结果,他的大部分项目,和其他合成生物学家,使用少量的已知基因部分。“我们只是重新包装相同的电路一遍又一遍,“沃伊特说。

扩大的数量可能的电路,研究人员需要组件,不会相互干扰。他们开始通过研究引起沙门氏菌的细菌,具有细胞通路控制蛋白质的注射进人体细胞。“这是一个非常严格监管电路,它是一个很好的合成电路,“沃伊特说。

通路包含三个组件:一个催化剂,一个启动子和一个女伴。启动子是一个地区的DNA蛋白质绑定到启动基因的转录。一个激活就是这样一种蛋白质。一些催化剂也需要一个伴侣蛋白质与DNA结合之前启动转录。

研究人员发现60个不同版本的这个途径在其他种类的细菌,并发现最足够的蛋白质参与每个都是不同的,他们不互相干扰。然而,有少量的几个电路的组件之间的串扰,所以研究者使用定向进化的方法去减少它。定向进化是一个试错的过程,涉及突变基因创造成千上万的类似的变异,然后测试他们所需的特质。最好的候选人是突变和筛选,直到创建最优基因。

Aindrila Mukhopadhyay,劳伦斯伯克利国家实验室的科学家说,大量的故障诊断研究人员并创建每个功能模块都是令人印象深刻。“很多人都迷住了创建复杂的基因电路的概念。这项研究提供了有价值的优化的类型的例子,他们可能为了实现这样的目标,“Mukhopadhyay说不是研究团队的一部分。

分层的电路

设计合成电路,这样他们就可以一起是分层的,他们的输入和输出必须网。电路,输入和输出总是电力。与这些生物电路,输入和输出是蛋白质,控制未来电路(活化剂或监护人)。

这些组件可以用于创建电路,可以感知各种环境条件。“如果一个细胞需要找到合适的微环境——葡萄糖,pH值、温度和渗透性(溶质浓度),单独他们不是非常具体,但让所有四个这些东西真的缩小下来,“沃伊特说。

研究人员目前正在申请这个工作创建一个传感器,使酵母工业发酵罐监控自己的环境和调整相应的输出。

这项研究是由美国海军研究办公室和美国国立卫生研究院。