新的生物技术创新降低了生物电路的不可预测性

插图：Christine Daniloff / MIT（来自国家健康机构的酵母细胞图像）

来自麻省理工学习的新生物技术装置降低了生物成分的不可预测性，并且最终可能使这种电路表现出几乎可以预测地作为其电子对应物。

研究人员在近年来在生物电路的设计和创造方面取得了巨大进展 - 例如，如电子电路，可以采取许多不同的输入并提供特定的输出。但是，虽然这种生物电路的近的组件可以具有精确和可预测的响应，但随着更多这样的元件，这些结果变得不太可预测。

麻省理工学院的一支研究人员现在已经提出了一种大大降低了不可预测性的方式，引入了一个最终允许这种电路表现出与其电子对应的可预测性的设备。该研究结果本周在自然生物科技杂志上发表，副教授由机械工程副教授Domitilla del Vecchio和生物工程教授Ron Weiss。

本文的牵头作者是生物工程中的麻省理工学院研究生Deepak Mishra。其他作者包括最近硕士硕士学生菲利普里维亚机械工程和艾伦林电气工程和计算机科学。

这种合成生物电路，Del Vecchio和Weiss解释了许多潜在的用途。“我们正在研究的一个特定的一种是生物传感 - 可以检测环境中的特定分子并产生特定产出的细胞，”Del Vecchio说。一个例子：可以检测表明存在癌细胞的标记的细胞，然后触发靶向杀死这些细胞的分子的释放。

Weiss说，这些电路能够在癌症和非癌细胞之间准确地区分癌症和非癌细胞之间的电路是重要的，因此他们不会在错误的地方释放他们的杀戮力量。为此，从细胞内的生物元素创建的强大信息处理电路变为“非常关键”，“Weiss说。

迄今为止，这种稳健的可预测性尚未得到可行的，部分原因是当引入多个生物电路阶段时，部分原因是当引入多个阶段时。问题出现，因为在电子电路中不同，其中一个部件物理地连接到接下来的电线，以确保信息总是在特定方向上流动的情况下，生物电路由全部漂浮在复杂的流体环境中的组件组成细胞的内部。

信息流是由近分配的化学相互作用的驱动，其理想地应影响其他特定组件。但在实践中，尝试创造这种生物联系通常产生了与期望不同的结果。

“如果你把电路放在一起，你会期望回答'x，'而不是你得到'y，'这可能是非常有问题的，”del vecchio说。

该设备制作用于解决问题的团队称为负载驱动程序，其效果类似于电子电路中使用的负载驱动程序的效果：它提供了一种在信号和输出之间的缓冲器，防止了信令效果通过系统备份并导致输出延迟。

研究人员说，虽然这是可能需要多年的待售应用程序的比较早期研究，但该概念可能具有各种各样的应用。例如，它可能导致合成生物电路，可持续测量糖尿病患者血液中的血糖水平，在需要时自动引发胰岛素的释放。

Del Vecchio将此负载驱动器添加到可用于设计生物电路的组件的群体，“可以升级您可以设计的电路的复杂性，”开辟新的可能的应用程序，同时确保其操作是“鲁棒性和可预测的。 “

波士顿大学的生物医学工程教授詹姆斯柯林斯说，与本研究无关的生物医学工程教授，说：“合成生物学的努力创建复杂的基因电路通常受电路子模块之间的意外或无声相互作用的阻碍。这些相互作用改变了子模块的输入输出特性，导致不希望的电路行为。“

但现在，柯林斯说，“Del Vecchio和Weiss通过创建一个可以解释和纠正这种相互作用的遗传设备来为该领域进行了重大进展，导致更可预测的电路行为。”

该研究得到了ENI-MIT能源研究团契，国家科学基金会，美国陆军研究办公室，美国陆军研究办公室，科学研究办公室和国家卫生研究院。

出版物：Deepak Mishra等，“生物网络中工程模块化的负载驱动器装置，”自然生物技术，2014; DOI：10.1038 / NBT.3044

图像：Christine Daniloff / MIT（来自国家健康机构的酵母细胞图像）