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科學(xué)家通過(guò)計(jì)算機(jī)編碼"黑入"活體細(xì)胞改變功能

據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，科學(xué)家發(fā)明了一種足以使合成生物學(xué)發(fā)生革命性變化的新方法，使得我們對(duì)活體細(xì)胞的控制能力向前躍進(jìn)了一大步。只需使用一種簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言，科學(xué)家就能“黑進(jìn)”一個(gè)活體細(xì)胞中，并對(duì)細(xì)胞的功能做出輕微的修改。

有了這樣的基礎(chǔ)，任何人都能輕松地為活體細(xì)胞寫(xiě)入新的功能，讓它們執(zhí)行各種各樣的任務(wù)。通過(guò)改變模仿物理電路的“DNA電路”的基因結(jié)構(gòu)，美國(guó)的生物工程師們成功地改寫(xiě)了細(xì)菌的“編碼”，根據(jù)環(huán)境因素改變了它們的功能。

就像編寫(xiě)計(jì)算機(jī)軟件一樣，科學(xué)家可以使用一種基于文本、并轉(zhuǎn)移到細(xì)胞DNA中的編程語(yǔ)言，為細(xì)胞編入新的功能。“這就像是為細(xì)菌設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言，”麻省理工的一名生物工程師克里斯托弗?沃格特教授(Christopher Voigt)說(shuō)道，“你可以先像用計(jì)算機(jī)編程一樣，使用文本語(yǔ)言，然后對(duì)其進(jìn)行編輯，讓文本轉(zhuǎn)化為放入細(xì)胞中的DNA序列，電路就可以在細(xì)胞內(nèi)部流通了?！?/p>

合成生物學(xué)是一個(gè)新的研究領(lǐng)域，即我們可以通過(guò)人為的操縱改變微生物的功能，如生產(chǎn)材料、吃掉廢棄物、甚至精確地將藥物送到人體內(nèi)特定的地點(diǎn)等。通過(guò)生成DNA電路，生物工程師們可以讓細(xì)胞按照特定的環(huán)境因素，遵循一系列邏輯步驟。

例如，如果周圍的pH值降到了特定水平以下，一個(gè)基因開(kāi)關(guān)就會(huì)啟動(dòng)，從而加速某種特定蛋白質(zhì)的分泌，如胰島素等。運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中，這意味著只要增加細(xì)胞周邊環(huán)境的酸性，就可以促進(jìn)胰島素的分泌。

麻省理工的研究團(tuán)隊(duì)使用一種名為Verilog的編程語(yǔ)言，設(shè)計(jì)了一些邏輯電路，然后使用一種名叫Cello的系統(tǒng)，將其編入合成的DNA環(huán)狀分子(又名質(zhì)粒)中。接下來(lái)，他們利用目前向微生物中添加新基因的技術(shù)，將這些人造質(zhì)粒嵌入到大腸埃希氏菌中。

這一方法非常簡(jiǎn)單，即使在基因方面毫無(wú)經(jīng)歷的人也可以設(shè)計(jì)出人造電路，只需使用一個(gè)負(fù)責(zé)將計(jì)算機(jī)代碼轉(zhuǎn)換成基因功能代碼的網(wǎng)絡(luò)程序，就能設(shè)計(jì)出一個(gè)電路，為細(xì)胞增添新的功能。

“你可以對(duì)它的原理一無(wú)所知，但依然能照用不誤，這就是這種方法的特別之處?！蔽指裉卣f(shuō)道，“你可能只是一名高中生，只需在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上寫(xiě)出你想要的程序，它就能自動(dòng)轉(zhuǎn)化為DNA序列。”

在實(shí)驗(yàn)中，這支麻省理工的研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)一連串實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)出一系列邏輯門(mén)，分別通往不同的路徑，并將其成功寫(xiě)入了DNA中，并轉(zhuǎn)移進(jìn)了大腸埃希氏菌的細(xì)胞里。

這些電路能夠檢測(cè)出不同的成分，如氧氣、葡萄糖，還有光線、溫度、酸堿度及其它環(huán)境條件等。此外，這一過(guò)程還可以實(shí)現(xiàn)“私人訂制”，使用者可以向其中加入其它功能。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的電路之一包含7個(gè)步驟，據(jù)稱是目前規(guī)模最大的生物電路。

細(xì)胞會(huì)同時(shí)接收到多個(gè)輸入源，因此主要的挑戰(zhàn)在于，設(shè)計(jì)出的電路在細(xì)胞內(nèi)部不能對(duì)彼此造成干擾。雖然該系統(tǒng)是專為大腸埃希氏菌設(shè)計(jì)的，但該研究團(tuán)隊(duì)表示，他們正在計(jì)劃對(duì)使用的編程語(yǔ)言稍加改動(dòng)，好用在其它細(xì)菌身上，如在人類內(nèi)臟中找到的細(xì)菌等。

“建造這些電路本來(lái)可能要花上很多年工夫。但現(xiàn)在你只需要按下按鈕，就能立刻得到一段DNA序列、并用它進(jìn)行測(cè)試了?！蔽指裉亟淌谡f(shuō)道。