Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà sinh học tổng hợp đã bổ sung xử lý tín hiệu tương tự-kỹ thuật số có độ chính xác cao vào mạch di truyền của các tế bào sống. Nghiên cứu mở rộng đáng kể các tín hiệu hóa học, vật lý và môi trường có thể sử dụng để nhắc nhở các phản ứng được lập trình từ các sinh vật được thiết kế.
Các nhà sinh học tổng hợp đã bổ sung xử lý tín hiệu tương tự-kỹ thuật số có độ chính xác cao vào mạch di truyền của các tế bào sống. Nghiên cứu, được mô tả trực tuyến ngày hôm nay trên tạp chí Khoa học , mở rộng đáng kể các tín hiệu hóa học, vật lý và môi trường có thể sử dụng để nhắc nhở các phản ứng được lập trình từ các sinh vật được thiết kế.
Sử dụng quy trình sinh hóa gọi là hợp tác xã, Caleb Bashor của Đại học Rice, Ahmad “Mo” Khalil của Đại học Boston (BU) và các đồng nghiệp từ MIT, Harvard, Viện Broad và Đại học Brandeis đã thiết kế các mạch di truyền có thể giải mã cả phụ thuộc tần số tín hiệu và tiến hành lọc tín hiệu động.
“Bạn có thể nghĩ về tính hợp tác giống như một loại tính năng xử lý tín hiệu mang lại cho bạn một bộ chuyển đổi tương tự sang số, một thiết bị lấy thứ gì đó về cơ bản tuyến tính và biến nó thành một thứ gì đó giống như chuyển đổi”, Bashor, đồng tác giả của nghiên cứu và một giáo sư trợ lý sinh học tại Trường Kỹ thuật Brown của Rice.
Lắp ráp hợp tác kỹ thuật tổng hợp cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện kiểu xử lý tín hiệu tổ hợp mà các tế bào thực hiện một cách tự nhiên và thanh lịch để thực hiện các nhiệm vụ phức tạp, giống như các quá trình phát triển và phân biệt phôi.
“Công trình này là một chuyến tham quan của sinh học tổng hợp giải quyết một câu hỏi lớn về cách các tế bào xử lý thông tin ở cấp độ DNA”, Tom Ellis, Reader trong Tổng hợp bộ gen tổng hợp thuộc khoa nghiên cứu sinh học tại Đại học Hoàng gia London, người không tham gia trong lúc học. “Người ta biết rằng thiên nhiên đã hoàn thiện quá trình xử lý thông tin rất mạnh mẽ chỉ với một số lượng nhỏ các bộ phận, nhưng việc giải mã chính xác cách thức hoạt động của các tế bào con người là do sự phức tạp của chúng. Bằng cách tái tạo cách thức các tế bào của con người xử lý thông tin ở cấp độ DNA, nhưng trong một mô hình tế bào nấm men đơn giản với các bộ phận tổng hợp, họ đã có thể tạo lại tín hiệu phức tạp từ các nguyên tắc đầu tiên. Đây là một ví dụ tuyệt vời về cách suy nghĩ như một kỹ sư có thể mở khóa một cách mới để trả lời các câu hỏi sinh học lớn. “
Trong tự nhiên, các tế bào thường phải đưa ra quyết định trắng đen dựa trên thông tin có màu xám. Ví dụ, hãy tưởng tượng một tế bào có một gen cho phép nó tồn tại trong môi trường có tính axit cao, nhưng nó cần rất nhiều năng lượng để kích hoạt gen đó và có được sự bảo vệ. Qua hàng tỷ năm chọn lọc tự nhiên, các tế bào kích hoạt gen quá sớm hoặc quá muộn sẽ bị loại bỏ bởi những người đưa ra quyết định vào thời điểm tối ưu để vừa đảm bảo sự sống sót và tiêu tốn ít năng lượng nhất.
“Loại chính xác đó cũng là một đặc tính mong muốn có trong các mạch tổng hợp,” Bashor, người đã tham gia Rice năm 2018 và bắt đầu dự án vài năm trước trong thời gian sau tiến sĩ tại BU. “Thiên nhiên thường thực hiện nó thông qua một quá trình gọi là tự lắp ráp hợp tác, trong đó một số protein được gọi là các yếu tố phiên mã tự lắp ráp thành một phức hợp lớn hơn. Chỉ khi chúng đến với nhau thì công tắc mới được ném ra.”
Bashor, Khalil và các đồng nghiệp đã thiết kế việc tự lắp ráp hợp tác bằng cách phát minh ra một hệ thống mô đun gồm các thành phần protein tổng hợp có thể lắp ráp thành các phức hợp có kích thước khác nhau. Trong hệ thống này, các tế bào được thiết kế được lập trình để tạo ra các thành phần lắp ráp để đáp ứng với bất kỳ đầu vào nào mà các kỹ sư muốn sử dụng để kích hoạt mạch. Ví dụ, trong các thí nghiệm của họ, Bashor, Khalil và các đồng nghiệp đã lập trình men để đáp ứng với hai loại thuốc khác nhau được sử dụng ở các nồng độ khác nhau thông qua một thiết bị vi lỏng.
Theo cách này, nồng độ của các phân tử thành phần được tạo ra bên trong men tăng và giảm để đáp ứng với đầu vào tương tự – nồng độ của thuốc trong buồng thử nghiệm.
“Về cơ bản, các thành phần này liên kết với nhau với các tương tác cực kỳ yếu”, Bashor nói. “Nhưng tất cả những tương tác yếu đó cộng lại, trong một phức hợp lớn hơn, với thứ gì đó thực sự chặt chẽ. Vì vậy, khi có rất ít trong số chúng trôi nổi xung quanh, chúng sẽ không tạo thành phức tạp. Và khi chúng đạt đến một sự tập trung quan trọng, chúng thấy lẫn nhau, và về cơ bản chúng có thể đến với nhau và tạo thành phức hợp. “
Độ sắc nét của một phản hồi – một phản ứng xảy ra nhanh chóng vào đúng thời gian dự định – là chìa khóa cho độ chính xác kỹ thuật số. Bashor và Khalil đã thiết kế các phức hợp kích hoạt có chứa ít nhất hai thành phần yếu tố phiên mã và có đến sáu, và các thí nghiệm của họ cho thấy rằng phức chất càng lớn thì phản ứng tới hạn càng sắc nét.
Khalil, tác giả của nghiên cứu cho biết: “Kỹ thuật loại phản ứng này thành các yếu tố phiên mã là trung tâm để cho phép chúng tôi lập trình các tế bào để thực hiện một loạt các chức năng phức tạp, như logic Boolean, lọc phụ thuộc thời gian và thậm chí giải mã tần số”. .
Bashor cho biết phần lớn dự án bốn năm đã dành để tinh chỉnh một mô hình dự đoán có thể hướng dẫn các kỹ sư khác sử dụng hệ thống để thiết kế các bộ chuyển đổi tương tự sang số có thể đáp ứng như dự định cho nhiều tín hiệu đến.
Để chứng minh khía cạnh công việc này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế và trình diễn các mạch xử lý tín hiệu gợi nhớ đến vi điện tử, bao gồm các bộ lọc thông thấp chỉ đáp ứng với các đầu vào thuốc tần số thấp và các bộ lọc chặn băng tần chỉ được kích hoạt ở tần số cao.
James Collins, đồng tác giả nghiên cứu và đồng tác giả nghiên cứu, cho biết: “Công trình của chúng tôi cho thấy sự phi tuyến của các phức hợp nhân tố phiên mã có thể được sử dụng để thiết kế xử lý tín hiệu trong các mạch gen tổng hợp, mở rộng chức năng và tiện ích trong thế giới thực”. , Harvard và Viện Broad.
Sắp tới, phòng thí nghiệm Rice của Bashor có kế hoạch sử dụng bộ chuyển đổi tương tự sang số và các mạch gen tổng hợp khác để khám phá và điều khiển các chương trình điều chỉnh hướng dẫn các chức năng miễn dịch và tế bào gốc bằng mắt để phát triển phương pháp trị liệu dựa trên tế bào biến đổi từ tế bào người được thiết kế.
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Rice . Bản gốc được viết bởi Jade Boyd. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :