研究人员为活细胞创建了一种编程语言
一支麻省理工学院的生物工程师团队宣布,他们创建了一种编程语言,使他们能够快速设计复杂的DNA编码电路,这些电路为活细胞提供了新的说明和ERGO,从本质上讲,它们将其转化为微型生物计算机。
使用这种语言,任何人都可以为他们想要的功能编写一个程序,例如检测和响应某些环境条件,然后可以生成将实现它的DNA序列。
“这实际上是一种细菌的编程语言,” MIT生物工程学教授Christopher Voigt说。“您使用基于文本的语言,就像您对计算机进行了编程一样。然后,您将其进行编译,然后将其变成您放入单元格的DNA序列,并且电路在单元格内运行。”
波士顿大学的Voigt及其同事以及国家标准与技术研究所使用了这种语言,他们在科学中描述了这种语言,可以构建可以检测到多达三个输入并以不同方式做出反应的电路。这种编程的未来应用包括设计细菌细胞在检测肿瘤时会产生癌症药物,或者创建酵母细胞,如果产物产生过多的毒性,可以停止自己的发酵过程。研究人员还可以从Github下载其开源代码,并且在网络上可以使用称为大提琴的设计界面,因此您可以在您自己的闲暇时使用它们。
在过去的15年中,生物学家和工程师设计了许多遗传部分,例如传感器,内存开关和生物钟,它们可以合并以修改现有细胞功能并添加新功能。但是,设计每个电路是一个费力的过程,需要大量的专业知识,并且通常会有很多反复试验。
Voigt说:“您必须对这些作品的运作方式以及它们如何融合有真正的深入了解。”
但是,新编程语言的用户显然不需要基因工程的特殊知识。
Voigt说:“您可能对任何一个的工作原理都完全幼稚。这就是真正的不同。”“您可能是高中的学生,然后进入基于Web的服务器并输入所需的程序,然后吐出DNA序列。”
该语言基于Verilog,该语言通常用于编程计算机芯片。为了创建适合细胞的语言的版本,研究人员设计了可以在细菌细胞的DNA中编码的逻辑门和传感器等计算元素。传感器可以检测到不同的化合物,例如氧或葡萄糖,以及光,温度,酸度和其他环境条件。用户还可以添加自己的传感器。
“这是非常可定制的,” Voigt说。
他说,最大的挑战是设计电路中使用的14个逻辑大门,以便一旦将其放置在活细胞的复杂环境中,它们就不会互相干扰。
In the current version of the programming language, these genetic parts are optimised for our old ab friend E. coli, which so far researchers have turned into the hardiest most virus resistant organism on Earth, a living storage device and turned into a completely new form of alien life, but the researchers are working on expanding the language for other strains of bacteria, including Bacteroides, commonly found in the human gut, and Pseudomonas, which often lives in plant roots, as well as the酿酒酵母的酵母糖酵母。这将允许用户编写一个程序,然后将其编译以使不同的生物为每个生物提供正确的DNA序列。
研究人员使用这种语言对60个电路进行了编程,其中有45个电路在第一次测试时正常工作。许多电路旨在测量一个或多个环境条件,例如氧气水平或葡萄糖浓度,并做出相应的反应。另一个电路旨在对三个不同的输入进行排名,然后根据每个输入的优先级做出响应。
新电路之一是有史以来最大的生物电路,其中包含七个逻辑大门和约12,000个碱基对DNA。
该技术的另一个优点是它的速度。到目前为止,“构建这些类型的电路将需要数年的时间。现在,您只需按下按钮,立即获得了测试的DNA序列,” Voigt说。
他的团队计划使用这种方法来处理多种不同的应用:可以吞咽的细菌以帮助消化乳糖;如果植物处于攻击状态,可以生存在植物根部并产生杀虫剂的细菌;当发酵反应堆中的产品产生过多的有毒物质时,可以设计出可以打开的酵母,所有这些都仅适用于起动器。