活细胞中的基因电路可以执行复杂的计算

活细胞能够对它们遇到的环境信号进行复杂的计算。这些计算本质上可以是连续的或类似的 - 眼睛适应光照水平逐渐变化的方式。它们也可以是数字化的，涉及简单的开启或关闭过程，例如细胞开始自己的死亡。相反，合成生物系统倾向于关注模拟或数字处理，限制了它们可以使用的应用范围。

但现在，麻省理工学院的一个研究小组开发了一种技术，将模拟和数字计算整合到活细胞中，使它们能够形成能够进行复杂处理操作的基因电路。在今天发表在Nature Communications杂志上的论文中提出的合成电路能够测量模拟输入的水平，例如与疾病相关的特定化学物质，并决定水平是否在正确的范围内开启输出，例如治疗疾病的药物。

根据电气工程和计算机科学与生物工程副教授，合成生物学负责人Timothy Lu的说法，他们就像电子设备一样，称为比较器，它采用模拟输入信号并将其转换为数字输出。麻省理工学院电子研究实验室小组，与前微生物学博士生雅各布鲁本斯一起领导该研究。

“合成生物学的大部分工作都集中在数字方法上，因为[数字系统]更容易编程，”Lu说。然而，由于数字系统基于诸如0或1的简单二进制输出，执行复杂的计算操作需要使用大量部件，这在合成生物系统中难以实现。

“数字基本上是一种计算方式，你可以从非常简单的部分获得智能，因为每个部分只做一件非常简单的事情，但当你把它们放在一起时，你会得到一些非常聪明的东西，”Lu说。“但这要求你能够将这些部件中的许多部分放在一起，而生物学中的挑战，至少目前，就是你无法在一块硅片上组装数十亿个晶体管，”他说。

研究人员开发的混合信号装置基于多种元素。阈值模块由检测特定化学品的模拟水平的传感器组成。

该阈值模块控制第二组分即重组酶基因的表达，该第二组分又可以通过反转来打开或关闭DNA片段，从而将其转换成数字输出。

如果化学物质的浓度达到一定水平，则阈值模块表达重组酶基因，使其翻转DNA片段。该DNA片段本身含有基因或基因调控元件，然后改变所需输出的表达。

“这就是我们采用模拟输入的方式，例如化学物质的浓度，并将其转换为0或1信号，”Lu说。“一旦完成，并且你有一块可以颠倒翻转的DNA，那么你可以把任何这些DNA片段放在一起进行数字计算，”他说。

该团队已经建立了一个模拟 - 数字转换器电路，该电路实现了三元逻辑，这种器件只能响应输入的高或低浓度范围而接通，并且能够产生两个不同的输出。

他说，未来，该电路可用于检测血液中的葡萄糖水平，并根据浓度以三种方式之一作出反应。

“如果葡萄糖水平太高，你可能希望你的细胞产生胰岛素，如果葡萄糖太低，你可能希望它们制造胰高血糖素，如果它在中间，你就不希望它们做任何事情，”他说。

Lu说，类似的模数转换器电路也可用于检测各种化学物质，只需更换传感器即可。

研究人员正在研究使用模拟 - 数字转换器来检测炎症性肠病引起的肠道炎症水平的想法，以及释放不同量的药物作为反应。

用于癌症治疗的免疫细胞也可以被设计用于检测不同的环境输入，例如氧气或肿瘤溶解水平，并且响应地改变它们的治疗活性。

其他研究小组也对将这些设备用于环境应用感兴趣，例如检测水污染物浓度的工程细胞，Lu说。

研究小组最近创建了一家名为Synlogic的衍生公司，该公司现在正试图使用​​简单版本的电路来设计可以治疗肠道疾病的益生菌。

该公司希望在未来12个月内开始对这些基于细菌的治疗进行临床试验。