合成生物學使得研究人員能夠編程細胞執(zhí)行一些新功能，如響應一種特殊的化學物質(zhì)發(fā)出熒光，或是響應疾病標記物生成藥物?，F(xiàn)在麻省理工學院（MIT）的工程師們朝著設計出復雜得多的回路邁進了一步，編程細胞記住并對一系列的事件做出了響應。這項研究發(fā)布在7月22日的《科學》（Science）雜志上。

 

麻省理工學院電子學研究實驗室合成生物學研究組負責人、電子工程、計算機科學和生物工程系的副教授盧冠達（Timothy Lu）博士是這篇論文的資深作者。這位年僅三十五歲的科研新星曾被麻省理工的百年期刊《技術評論》評為世界青年科技創(chuàng)新家。他不僅在合成生物學領域碩果累累，近年也取得了多項CRISPR研究的重要成果。

 

研究人員說，這些細胞以正確的順序記住了三個不同的輸入信號，不過這種方法應該可擴展至整合更多的刺激。利用這一系統(tǒng)，科學家們可以追蹤以特定的順序發(fā)生的細胞事件，構(gòu)建出環(huán)境傳感器儲存復雜的歷史，或是編程細胞的軌跡。

 

盧冠達說：“如果你能將存儲器元件與計算整合到一起，你就可以構(gòu)建出非常復雜的計算系統(tǒng)。”

 

這種方法使得科學家們能夠構(gòu)建出生物“狀態(tài)機器”——根據(jù)它們接收輸入信號的特性和順序以不同的狀態(tài)存在的裝置。研究人員還能構(gòu)建出軟件幫助用戶設計一些回路，實現(xiàn)有著不同行為的狀態(tài)機器，隨后在細胞中進行測試。

 

長期記憶

 

2013年，盧冠達和同事們設計出了一些能夠執(zhí)行一種邏輯功能的細胞回路，然后通過將其編碼在它們的DNA中儲存了這一事件的記憶。

 

在這篇新論文中，他們編碼的狀態(tài)機器回路依賴于所謂的重組酶（recombinase）。當被細胞內(nèi)的特定輸入信號，例如化學信號激活時，重組酶會根據(jù)稱作為識別位點的兩個DNA靶序列的方向刪除或顛倒一段特殊的DNA。這些位點之間的這段DNA可能包含響應不同輸入信號的其他重組酶的識別位點。如果隨后第二或第三個重組酶被激活，翻轉(zhuǎn)或刪除這些位點會改變DNA上將發(fā)生的事件。因此，測序DNA可以確定一個細胞的歷史。

 

在只具有兩種輸入信號、最簡單版本的這一系統(tǒng)中，這一回路具有5種可能的狀態(tài)：不響應任何輸入信號，只響應輸入信號A，只響應輸入信號B，先響應輸入信號A然后是輸入信號B，及先響應輸入信號B然后是輸入信號A。研究人員還設計并構(gòu)建出了記錄三種輸入信號的回路，其具有16種可能的狀態(tài)。

 

在這項研究中，研究人員編程大腸桿菌細胞響應了實驗室試驗中常用的一些物質(zhì)，包括Atc（抗生素四環(huán)素的一種類似物），一種叫做阿拉伯糖（arabinose）的糖類，一種叫做DAPG的化學物質(zhì)。而要實現(xiàn)醫(yī)學或環(huán)境應用，可以重新改造這些重組酶響應其他的條件如酸性或特異轉(zhuǎn)錄因子的存在。

 

基因控制

 

在構(gòu)建出可以記錄一些事件的回路后，研究人員隨后將一些基因與一些遺傳調(diào)控元件一起，整合到了一系列重組酶結(jié)合位點中。在這些回路中，當重組酶重排DNA時，這些回路不僅記錄了信息，還控制了開啟或關閉的基因。

 

研究人員采用編碼綠色、紅色和藍色不同熒光蛋白的三種基因，構(gòu)建出對應兩種輸入信號各自的特性和順序，表達不同熒光蛋白組合的回路測試了這一方法。例如，當細胞攜帶著先接收輸入信號A然后是輸入信號B的回路時，它們會發(fā)紅光和綠光，先接收輸入信號B然后是輸入信號A的細胞會發(fā)紅光和和藍光。

 

盧冠達的實驗室現(xiàn)在希望利用這種方法來研究被一系列事件，如細胞因子和其他信號分子出現(xiàn)或某些基因激活所控制的一些細胞過程。

 

論文的第一作者、麻省理工學院和哈佛大學研究生Nathaniel Roquet說：“我們可以記錄和響應不只是生物事件的組合，還有它們的順序，這一想法開辟了大量潛在的應用。我們對于哪些因子調(diào)控了特異細胞類型的分化或?qū)е铝四承┘膊〉倪M展已了解了許多，但對于這些因子的時間組織卻還知之甚少。這是我們希望利用我們的裝置探索的一個領域。”

 

例如，科學家們可以利用這一技術追蹤干細胞或其他未成熟細胞成為分化的、成熟細胞類型的軌跡。他們還可以追蹤癌癥一類疾病的進展。近期的一項研究顯示，獲得致癌突變的順序可以決定疾病的行為，包括癌細胞如何響應藥物及發(fā)展為腫瘤。此外，工程師們可以利用這里開發(fā)出的這些狀態(tài)機器平臺來編程一些細胞功能和分化信號通路。

 

自2000年首次亮相以來，合成生物學研究已經(jīng)走過了十多個年頭，經(jīng)過這些年的發(fā)展，這門學科已經(jīng)成為了包含復雜生物系統(tǒng)，構(gòu)建工程設計的一個充滿活力的研究學科。

 

2016年7月，來自加州大學圣地亞哥分校和麻省理工學院(MIT)的研究人員提出了一種將合成生物學用于治療的新策略。這種方法使得能夠在小鼠的病灶部位持續(xù)地生成及釋放藥物，同時限制了隨時間推移生成這些藥物的工程菌群的大小。這些研究結(jié)果發(fā)布Nature雜志上。

 

在過去的十年中，研究人員為了開發(fā)一種技術，快速、廉價地讀寫DNA，以合成和操縱多肽和蛋白質(zhì)，已經(jīng)花費了數(shù)十億美元的成本。但是，當這種技術遇到重復的基因譜時會出錯。來自杜克大學的科學家們，根據(jù)“旅行商問題”，開發(fā)出一種免費可用的計算機程序，消除了這個障礙。合成生物學家現(xiàn)在可以找到最少重復的遺傳密碼，來構(gòu)建他們想要研究的分子。相關研究結(jié)果發(fā)表在2016年1月4日的Nature Materials上。

 

來自清華大學、麻省理工學院的研究人員報告稱，他們構(gòu)建出了一個TALE轉(zhuǎn)錄抑制子（TALER）文庫，這為模體化操控合成電路提供了一個有價值的工具箱，將推動可程序化操控哺乳動物細胞，并將幫助更好地理解及利用轉(zhuǎn)錄調(diào)控及microRNA介導的轉(zhuǎn)錄后調(diào)控相結(jié)合的設計原則。這一重大的突破性成果發(fā)布在2015年的Nature Chemical Biology雜志上。