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上海士鋒生物科技關于新型細菌細胞計算器的介紹
點擊次數：1049 發布時間：2013-5-22
根據論文兩名通信作者Rahul Sarpeshkar和Timothy Lu的說法，這些運算電路利用已存在于細胞中的自然生化功能而不是對它們進行過數字邏輯改造，從而以一種模擬的方式進行計算，這就使得它們比大多數合成生物學家們所追求的數字電路更加。
研究人員說，模擬計算特別適合于設計針對病原體或其他分子的細胞傳感器。模擬傳感（analog sensing）也可能與數字電路相結合來構建出發揮特異性功能的細胞，其中這種特異性功能是由某些分子的閾值濃度所觸發的。
Lu說，“人們能夠利用模擬電路開展許多前期檢測，這是因為它們非常豐富，而且只需相對較少的零件就能夠賦予很大的復雜性，因而利用一個電路輸出結果就可作出決定，對不對?”
執行數學運算
為了構建出能夠計算細胞中的兩個或多個化合物總數量的模擬加法或乘法電路，研究人員將兩個模擬電路組合在一起，其中每個電路對應于一個不同的輸入。在一個電路中，阿拉伯糖開啟一個轉錄因子表達從而激活表達綠色熒光蛋白（green fluorescent protein, GFP）的基因。在第二個電路中，一種被稱作AHL的信號分子也開啟表達GFP的基因。通過計算GFP的總量，就可計算出兩個輸入的總量。
為了構建出減法或除法電路，研究人員利用一個抑制性的轉錄因子來替換其中一個激活性的轉錄因子，當這個抑制性的輸入分子存在時，就會關閉GFP表達。他們也構建出只需兩個零件的模擬平方根電路，而zui近有人設計出執行平方根運算的數字合成電路則需要100多個零件。
研究人設計出的另一個模擬電路能夠通過計算兩個不同輸入分子的比值來執行除法運算。細胞本身就經常執行這類運算，并且這類運算在監控諸如NAD和NADH之類的分子的相對濃度中發揮著關鍵性作用。NAD和NADH經常相互轉換，這是因為它們協助其他的細胞反應發生。
Lu說，“這種比值在控制許多種細胞過程中發揮著重要作用。細胞自然地擁有能夠識別這些比值的酶。細胞本身就已能夠完成許多種這些過程，但是對細胞而言，若要在一種有用的范圍內執行它們則需要額外的工程手段。”
這些額外的工程手段包括修改這些模擬電路，這樣它們就能夠接受1到10000的范圍內的輸入進行計算，這遠比細胞中自然發生的電路的計算范圍寬得多。
研究人員如今正在嘗試著在包括哺乳動物細胞在內的非細菌細胞中構建模擬電路。他們也正在努力擴大能夠整合到這些模擬電路中的基因零件庫。Lu說，“就目前而言，我們正在使用三個在生物學上經常使用的轉錄因子，但是我們想使用其他的基因零件來完成這種工作，并且讓這種可推廣的平臺能夠為其他任何人所使用。”
Sarpeshkar實驗室正在細胞中進一步構建新的模擬電路。Sarpeshkar說，“對于復雜的模擬反饋電路在活細胞中能夠發揮哪些作用，我們也只知皮毛。”他認為這種被稱作模擬合成生物學（analog synthetic biology）的新方法將能夠構建出一套新的基本電路和應用電路，從而能夠顯著性地改善對基因表達、分子傳感、計算和刺激的微調控