在合成生物學(xué)領(lǐng)域，研究人員希望能通過設(shè)計細胞，使其能像個小機器人一樣，用于檢測環(huán)境中的毒素，研發(fā)藥物等。要實現(xiàn)這樣的目標，這個系統(tǒng)就需要能進行邏輯運算以及記憶儲存，但是目前大多數(shù)細胞的遺傳環(huán)路只能有效完成這其中一項。

“要構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)，不僅需要記憶功能，而且也需要邏輯運算，”來自麻省理工學(xué)院（MIT）電子工程和計算機科學(xué)系助理教授盧冠達(Timothy K. Lu)表示，這位青年科學(xué)家曾入選美國麻省理工學(xué)院百年期刊《技術(shù)評論》評選的世界青年科技創(chuàng)新家。

近期盧冠達與他的同事們構(gòu)建了第一個能將計算的兩個基礎(chǔ)功能：邏輯功能和記憶結(jié)合起來的細菌細胞環(huán)路，這一系統(tǒng)能編碼DNA可遺傳數(shù)據(jù)，已證實在細菌中傳代90代。相關(guān)研究成果公布在2月的Nature Biotechnology雜志上。

在2009年，這一研究組曾在Science雜志上發(fā)表文章，設(shè)計出了一種特殊的系統(tǒng)，能激活大腸桿菌的某些基因，進行計數(shù)并“記住”細胞中發(fā)生的事件。這一系統(tǒng)利用了一系列重組酶反應(yīng)，主要是通過模仿計算機芯片制成的，可用于統(tǒng)計細胞分裂的次數(shù)，或研究一系列發(fā)育階段，還可以充當(dāng)生物傳感器，來統(tǒng)計細胞接觸不同毒素的次數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，盧冠達等人又設(shè)計了一種新的環(huán)路系統(tǒng)，能利用重組酶切斷DNA片段，并將其翻轉(zhuǎn)，然后將它們插入到基因組中去。這樣這些DNA片段就會被向上或向下翻轉(zhuǎn)，就好像將其打開或關(guān)上，類似于‘1或‘0的二進制代碼。

如果DNA二進制阻礙了調(diào)控DNA，如激活基因表達的啟動子，那么這種機制就能作為一種雙輸入邏輯門，檢測多個輸入，然后輸出一個答案。在這里，輸出是指該基因是否被激活。由于細菌基因組中的實際DNA會發(fā)生穩(wěn)定改變，因此這種輸入就會被永久存儲。研究人員證實，這些細胞能在至少90代以內(nèi)保持這些記憶。

通過這種方法，研究人員構(gòu)建了一個復(fù)雜系統(tǒng)，其中重組酶靶向的是，調(diào)控綠色熒光蛋白（GFP）表達基因啟動子周圍的DNA序列，他們在每個細胞中創(chuàng)建了總數(shù)為16個雙輸入的Boolean邏輯函數(shù)。舉例來說，當(dāng)重組酶“點開”靶向DNA序列，那么啟動子就會激活GFP基因，從而細胞就會表達GFP蛋白發(fā)光。一旦這些序列被“關(guān)閉”，系統(tǒng)也不會回到最初狀態(tài)。因此如果盧冠達希望了解這個細胞的輸出歷史，他既可以通過檢測細胞GFP的輸出，推測出輸入情況，也可以測序細胞中被儲存的DNA數(shù)據(jù)。

他表示，帶有邏輯和記憶功能的遺傳環(huán)路，能用于追蹤機體中疾病相關(guān)的基因是開啟的，還是關(guān)閉的，從而用以研究疾病的進程。而且對于生物技術(shù)而言，該系統(tǒng)也可被用于編程細胞，使其在某個水平上表達藥物，這就無需不斷的刺激細胞，并且其后代也能生產(chǎn)藥物。

盧冠達目前計劃將這一系統(tǒng)延伸到真核生物中去，希望由此能設(shè)計出追蹤干細胞復(fù)雜分化過程的遺傳環(huán)路，然后發(fā)現(xiàn)能獲得想要細胞類型的方法。

“我們希望能更有效的將細胞分化用于治療目的，或者為研究這些途徑的科學(xué)家們找出一種新工具”，他表示。