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一系列设计原则:有利于构建可预测的生物电路

指南

根据加州理工学院最近的一份报告,该校的研究人员已经开发出一系列使用机电工程工具设计生物电路的指南。

背景

说到计算机,我们通常会想到由芯片等电子元件组成的电路。这种电路可以通过指令对各种数据执行算术处理。然而,随着技术的快速发展,计算机的概念不再局限于由传统硅芯片组成的电子计算机。近年来,科学家们将目光投向了细胞,并将它们变成了一台“活”的计算机。

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麻省理工学院)

为了使这些“活”装置执行一系列有价值的任务,例如药物,精细化学品和生物燃料的生产,病原体的检测以及体内药物分子的释放,合成生物学家需要使细胞适应人工分子机制,从而它可以感知一系列的刺激,如毒素,代谢水平和环境中的验证信号。这些合成生物学电路与电子电路非常相似,可以处理信息并做出逻辑决策。

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哈佛大学魏斯研究所)

创新

最近,加州理工学院的研究团队开发了一系列使用机电工程工具设计生物电路的指导原则。生物电路类似于电路,但由细胞和生物组成。

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梁宗和严亮)

例如,抗疟药复方青蒿素是由一种珍贵的热带植物制成的,因此加州大学伯克利分校的科学家人工设计了植物的代谢机制进入酵母细胞,消除了对植物或土壤的需求。合成青蒿素。但是,预测这些电路的性能(在纸上设计然后成功实现这种设计)的能力尚未得到充分发展。

这项新研究中描述的一系列生物工程原理将产生更有效和可预测的细胞系统。

技术

诺亚奥尔斯曼是加州理工学院的前研究生,现在是哈佛大学的博士后研究员,他说:“我们是这么认为的。如果你设计一架飞机,你就不能从设计一千架不同的飞机开始。将它们全部发送出去到了天空,看看哪些可以飞行。相反,你首先要研究对于飞行很重要的数学和物理知识。同样,设计生物电路的过程实际上可以通过原理的一些定量效益来指导。“/p>

生物系统持续测量环境并进行调整以维持体内平衡(平衡稳定状态)。我们的眼睛适应光明和黑暗;无论是在炎热的天气还是寒冷的暴风雪中,我们的身体都保持相同的体温。即使是单个细胞(生命的基本单位)也将面临不同的环境,并进行准确的测量和调整以求生存。衡量外部世界和进行内部调整的过程称为“反馈”。

反馈在工程中得到广泛研究。设计反馈系统的一个示例是巡航巡航模式。汽车相应地测量和加速或减速,然后进行另一次测量,进行所需的更改,等等。此外,室内恒温器设计有反馈,以测量外部温度,然后根据需要加热或冷却。

理想情况下,系统将快速达到所需状态,并且能够抵抗大或小的干扰。但在设计系统时,工程师往往根本无法做到。例如,使摩托车比汽车更稳定和更容易处理也使它们容易发生碰撞。称为“控制理论”的工程分支在数学上描述了这些属性之间的权衡。

Recently, in two new research papers, Olsman and his colleagues used control theory to describe the design principles for constructing biological systems.

Olsman said: "One of the main questions in biology is, can we understand biological systems like electrical circuits or mechanical devices? Can we understand how cells organize molecular components together to form life? We can design this by ourselves. Mechanism? Just like understanding the digital circuits that can be designed into laptops, understanding the cellular network will allow us to build biological systems ourselves."

Olsman and his collaborators studied a simple bacterial feedback model (developed by another team at the California Institute of Technology in E. coli). In these bacterial colonies, each of the bacteria emits small molecules in order to send signals to each other. These bacteria are designed to produce toxins while emitting these signaling molecules. The larger the bacterial colonies, the higher the concentration of toxins. When the toxin is high enough, some bacteria begin to die, reducing the concentration of toxins. This feedback system regulates the growth of bacterial colonies.

Researchers use this system to develop mathematical descriptions of biofeedback.

Olsman said: "Cells are complex machines, as are airplanes and satellites. Correct mathematical thinking can reveal the simple principles that govern the complex world."

Keyword

Cell, circuit, mathematics

References

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