Эти вычисления могут быть непрерывными, или аналоговыми, по своей природе – способ, которым глаза приспосабливаются к постепенным изменениям в легких уровнях. Они могут также быть цифровыми, включив простой на или от процессов, таких как инициирование клетки ее собственной смерти.Синтетические биологические системы, напротив, имели тенденцию сосредотачиваться или на аналоге или на цифровой обработке, ограничивая диапазон заявлений, для которых они могут использоваться.Но теперь команда исследователей в MIT развивала технику, чтобы объединить и аналоговое и цифровое вычисление в живых клетках, позволяя им сформировать генные схемы, способные к выполнению сложных операций по обработке.
Синтетические схемы, представленные в работе, опубликованной в журнале Nature Communications, способны к измерению уровня аналогового входа, таковы как конкретный химикат, относящийся к болезни и решению, является ли уровень в правильном диапазоне, чтобы включить продукцию, такую как препарат, который лечит заболевание.Таким образом они действуют как электронные устройства, известные как компараторы, которые берут сигналы аналогового входа и преобразовывают их в цифровой выход, по словам Тимоти Лу, адъюнкт-профессора электротехники и информатики и биологической разработки и главы Synthetic Biology Group в Научно-исследовательской лаборатории MIT Электроники, который привел исследование вместе с бывшим доктором философии микробиологии студент Джейкоб Рубенс.
«Большая часть работы в синтетической биологии сосредоточилась на цифровом подходе, потому что [цифровые системы] намного легче к программе», говорит Лу.Однако, так как цифровые системы основаны на простом двоичном выходе такой как 0 или 1, выполнение сложных вычислительных операций требует использования большого количества частей, которого трудно достигнуть в синтетических биологических системах.«Цифровой в основном способ вычислить, в котором Вы вытаскиваете разведку из очень простых частей, потому что каждая часть только делает очень простую вещь, но когда Вы помещаете их всех вместе, Вы получаете что-то, что очень умно», говорит Лу. «Но это требует, чтобы Вы были в состоянии соединить многие из этих частей, и проблема в биологии, по крайней мере в настоящее время, состоит в том, что Вы не можете собраться, миллиарды транзисторов как Вы могут на куске кремния», говорит он.Смешанное устройство сигнала, которое разработали исследователи, основано на многократных элементах.
Пороговый модуль состоит из датчика, который обнаруживает аналоговые уровни конкретного химиката.Этот пороговый модуль управляет выражением второго компонента, recombinase гена, который может в свою очередь включить или от сегмента ДНК, инвертировав его, таким образом преобразовав его в цифровой выход.Если концентрация химических пределов определенный уровень, пороговый модуль выражает recombinase ген, заставляя его щелкнуть сегментом ДНК.
Этот сегмент ДНК сам содержит ген или регулирующий геном элемент, который тогда изменяет выражение желаемой продукции.«Таким образом, это – то, как мы берем аналоговый вход, такой как концентрация химиката, и преобразовываем его в 0 или 1 сигнал», говорит Лу. «И как только это сделано, и у Вас есть кусок ДНК, которой можно щелкнуть вверх тормашками, тогда Вы можете соединить любой из тех кусков ДНК, чтобы выполнить цифровое вычисление», говорит он.
Команда уже построила схему аналого-цифрового преобразователя, которая осуществляет троичную логику, устройство, которое только включит или в ответ на высокий или в ответ на низкий диапазон концентрации входа, и которое способно к производству двух различной продукции.В будущем схема могла использоваться, чтобы обнаружить уровни глюкозы в крови и ответить одним из трех способов в зависимости от концентрации, говорит он.«Если бы уровень глюкозы был слишком высок, то Вы могли бы хотеть, чтобы Ваши камеры произвели инсулин, если бы глюкоза была слишком низкой, то Вы могли бы хотеть, чтобы они сделали глюкагон, и если бы это было в середине, то Вы не хотели бы, чтобы они сделали что-либо», говорит он.Подобные схемы аналого-цифрового преобразователя могли также использоваться, чтобы обнаружить множество химикатов, просто изменяя датчик, говорит Лу.
Исследователи исследуют идею использовать аналого-цифровые преобразователи, чтобы обнаружить уровни воспаления пищеварительного тракта, вызванного воспалительным заболеванием кишечника, например, и выпустить различные количества препарата в ответ.Иммуноциты, используемые в лечении рака, могли также быть спроектированы, чтобы обнаружить различные экологические исходные данные, такие как кислород или опухоль lysis уровни, и изменить их терапевтическую активность в ответ.Другие исследовательские группы также интересуются использованием устройств для экологического применения, такого как технические клетки, которые обнаруживают концентрации водных загрязнителей, говорит Лу.Исследовательская группа недавно создала spinout компанию, названную Synlogic, который теперь пытается использовать простые версии схем, чтобы спроектировать пробиотические бактерии, которые могут лечить заболевания в пищеварительном тракте.
Компания надеется начать клинические испытания этого основанного на бактериях лечения в течение следующих 12 месяцев.