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比尔盖茨电路:为细胞计算机铺平道路
2013-04-03 16:04:31  作者: 编辑:上方文Q   点击可以复制本篇文章的标题和链接
 
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近日,斯坦福大学的生物工程师使用遗传物质DNA和RNA构建了一种“生物晶体管”,通过它在活细胞内构建出包括与门(AND)、或门(OR)在内的6种基本电路进行逻辑运算,放大和切换遗传信号。这些发现为将来创建细胞计算机铺设了道路。

研究者将基于转录器的逻辑门电路称为“布尔整合酶逻辑电路”(Boolean Integrase Logic),或简称“比尔·盖茨电路”(BIL gates)。转录器还具有放大信号的功能,整合酶表达量的微小差异可能引起靶基因转录效率的巨大变化。

文章的通讯作者、助理教授德鲁·安迪(Drew Endy)对果壳网解释:“我们让一组天然蛋白质有了新的功能。这些叫整合酶(Integrase)的蛋白质被用于对DNA上的RNA聚合酶实行数字控制。”这些整合酶的表达浓度将决定靶基因的转录过程。

转录器是基因逻辑电路的关键元件,文章的第一作者杰罗姆·博纳特(Jerome Bonnet)评论说:“这些电路是通用的,控制门电路的诱导信号可以是任何转录源——可以是葡萄糖,也可以是咖啡因,等等。细胞收到的任何外界刺激都能得到检测。”博纳特告诉果壳网:“利用这种逻辑电路,你能够轻易判断哪些细胞受过刺激。”细胞甚至能按照指令发动或终止细胞繁殖。

博纳特还说:“酶的选择非常重要。我们仔细挑选了在细菌、真菌、植物和动物中都能行使功能的酶,让生物计算机能被设置在各种生物中。”

去年,安迪的团队成功用DNA构建了可擦写数字信号存储器。随后,他们又开发出能在细胞间传递遗传信息的机制。现在,他们有具备类似晶体管及信号放大器功能的转录器——信息存储、信息传送、逻辑运算,这3种要素加起来,足以在活细胞内构建出生物计算机。

实际上,这3种功能的融合已经实现了。“我们的门电路应该能应用到所有类型的细胞,”安迪告诉解释说,“生物计算机能够用于研究和改编生命系统、监控环境变化并且改善细胞治疗。”

和一些不公开的生物技术不同,研究团队将文章所述的所有知识向公众开放。博纳特说:“大多数生化技术还没有被想象出来,更别说将其实现了。共享重要的基本工具才能让人们更好地合作。”

研究成果发表于最新一期的《科学》(Science)。

比尔盖茨电路:为细胞计算机铺平道路
转录器中执行异或门(XOR)的逻辑元件。两对可被整合酶识别的重组位点(蓝/橙,黑/白)夹在终止子两侧,这两对重组位点各自能被一种整合酶识别,元件通过4种不同的信号状态控制终止子的方向。如果两种整合酶都不表达,终止子将使转录停止;如果只有一种整合酶的表达达到阈值,终止子方向将翻转,转录继续进行;而如果两种整合酶的表达都达到阈值,终止子翻转两次,转录依然被阻断。


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