組合型人工基因線路

利用基本型人工基因線路作為基礎(chǔ)器件，可以搭建出復(fù)雜的組合型人工基因線路，用于模擬高級的生命過程。2014?年，北京大學(xué)歐陽頎課題組設(shè)計出了一種具有巴甫洛夫經(jīng)典條件反射行為的人工基因線路，在大腸桿菌中重現(xiàn)了高等生物的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)功能。該基因線路由?2?個邏輯“與門”、2?個邏輯“或門”和?1?個記憶模塊組成，能夠接收?1?個不引起輸出響應(yīng)的外界信號分子?A?和?1?個可引發(fā)輸出響應(yīng)的環(huán)境信號?B。此?2?種信號組合的多次共刺激能使大腸桿菌的記憶狀態(tài)發(fā)生改變，最終使信號?A?能夠單獨引起輸出響應(yīng)（圖?2a）。2012?年，麻省理工學(xué)院的?Voigt?課題組把?3?個二進制邏輯“與門”組裝為?1?個巨大的四進制邏輯“與門”，實現(xiàn)了能夠同時感知?4?種不同環(huán)境信號的人工基因網(wǎng)絡(luò)（圖?2b）。以上兩項工作外，還由很多有用的組合型人工基因線路，如加法器、邊界識別器、多輸入的邏輯線路等。

為了實現(xiàn)更高級的控制功能，人工基因線路勢必變得越來越復(fù)雜，隨之而來的是設(shè)計難度的迅速提升。電子線路設(shè)計領(lǐng)域在?20?世紀(jì)遇到過類似的問題，其解決方法是基于計算機程序的自動化線路設(shè)計和模擬。因此，在?2016?年，Voigt?課題組開發(fā)出了一種能用于自動設(shè)計組合型復(fù)雜人工基因線路的計算機程序“Cello”（意為?“cellular logic”），能根據(jù)用戶需求自動化地給出可執(zhí)行布爾邏輯運算的基因線路設(shè)計，實現(xiàn)類似于電子工程領(lǐng)域電路設(shè)計軟件的功能。該程序整合了大量轉(zhuǎn)錄調(diào)控元件的表征數(shù)據(jù)，生物元件組裝的經(jīng)驗，已知元件的生物學(xué)限制條件，以及邏輯線路的自動編譯工具等。用戶選擇輸入信號、輸出信號、宿主細(xì)胞等信息后，程序會從標(biāo)準(zhǔn)化生物元件的表征數(shù)據(jù)庫中挑選合適元件，從動力學(xué)區(qū)間、生物毒性等問題出發(fā)進行模擬和優(yōu)化，輸出線路的?DNA?序列和定量預(yù)測結(jié)果。最終，研究人員可以直接將?DNA?序列合成、裝載到宿主細(xì)胞中執(zhí)行功能。該程序能夠大幅提高對人工基因線路的設(shè)計效率。

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