科學家通過計算機編碼"黑入"活體細胞改變功能

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科學家通過計算機編碼"黑入"活體細胞改變功能

據國外媒體報道，科學家發明了一種足以使合成生物學發生革命性變化的新方法，使得我們對活體細胞的控制能力向前躍進了一大步。只需使用一種簡單的計算機編程語言，科學家就能“黑進”一個活體細胞中，并對細胞的功能做出輕微的修改。

有了這樣的基礎，任何人都能輕松地為活體細胞寫入新的功能，讓它們執行各種各樣的任務。通過改變模仿物理電路的“DNA電路”的基因結構，美國的生物工程師們成功地改寫了細菌的“編碼”，根據環境因素改變了它們的功能。

就像編寫計算機軟件一樣，科學家可以使用一種基于文本、并轉移到細胞DNA中的編程語言，為細胞編入新的功能。“這就像是為細菌設計的編程語言，”麻省理工的一名生物工程師克里斯托弗?沃格特教授(Christopher Voigt)說道，“你可以先像用計算機編程一樣，使用文本語言，然后對其進行編輯，讓文本轉化為放入細胞中的DNA序列，電路就可以在細胞內部流通了。”

合成生物學是一個新的研究領域，即我們可以通過人為的操縱改變微生物的功能，如生產材料、吃掉廢棄物、甚至精確地將藥物送到人體內特定的地點等。通過生成DNA電路，生物工程師們可以讓細胞按照特定的環境因素，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，一個基因開關就會啟動，從而加速某種特定蛋白質的分泌，如胰島素等。運用到實際當中，這意味著只要增加細胞周邊環境的酸性，就可以促進胰島素的分泌。

麻省理工的研究團隊使用一種名為Verilog的編程語言，設計了一些邏輯電路，然后使用一種名叫Cello的系統，將其編入合成的DNA環狀分子(又名質粒)中。接下來，他們利用目前向微生物中添加新基因的技術，將這些人造質粒嵌入到大腸埃希氏菌中。

這一方法非常簡單，即使在基因方面毫無經歷的人也可以設計出人造電路，只需使用一個負責將計算機代碼轉換成基因功能代碼的網絡程序，就能設計出一個電路，為細胞增添新的功能。

“你可以對它的原理一無所知，但依然能照用不誤，這就是這種方法的特別之處。”沃格特說道，“你可能只是一名高中生，只需在網絡服務器上寫出你想要的程序，它就能自動轉化為DNA序列。”

在實驗中，這支麻省理工的研究團隊根據一連串實驗結果，設計出一系列邏輯門，分別通往不同的路徑，并將其成功寫入了DNA中，并轉移進了大腸埃希氏菌的細胞里。

這些電路能夠檢測出不同的成分，如氧氣、葡萄糖，還有光線、溫度、酸堿度及其它環境條件等。此外，這一過程還可以實現“私人訂制”，使用者可以向其中加入其它功能。該團隊設計的電路之一包含7個步驟，據稱是目前規模最大的生物電路。

細胞會同時接收到多個輸入源，因此主要的挑戰在于，設計出的電路在細胞內部不能對彼此造成干擾。雖然該系統是專為大腸埃希氏菌設計的，但該研究團隊表示，他們正在計劃對使用的編程語言稍加改動，好用在其它細菌身上，如在人類內臟中找到的細菌等。

“建造這些電路本來可能要花上很多年工夫。但現在你只需要按下按鈕，就能立刻得到一段DNA序列、并用它進行測試了。”沃格特教授說道。