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美设计出可在活细胞内进行计算的基因器件

省部重点实验室

2013/03/30

生命科学仪器综合讨论

美国斯坦福大学的生物工程团队设计出一种基因器件，可在个体活细胞中像晶体管一样起作用，从而将计算从机械和电子带入到生物学活细胞领域。研究团队在28日出版的《科学》杂志上详细描述了这种由遗传物质DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）制成的生物晶体管，并称之为“转录器”。

　　论文第一作者、生物工程博士后杰罗姆·博内特表示，与晶体管和电子器件相类似，转录器是对基因逻辑进行放大的关键组成部分。转录器的创建将允许工程师们在活细胞内进行计算和记录。当细胞暴露于某些外部刺激或环境因素，就能按需打开和关闭。

　　在电子设备中，晶体管控制电子沿着电路流动。同样地，在生物设备中，转录器控制特定蛋白——RNA聚合酶沿着DNA链的流动。研究团队已利用该转录器创建出电子工程中熟知的逻辑门。研究人员将这种以转录器为基础的逻辑门称为“布尔聚合酶逻辑”（BIL）门。

　　所有的现代计算机尽管存在外在差异，但都具有3个共同的基本功能：信息的存储、传输和逻辑运算。基于转录器的门单独并不能构成一台计算机，但它们是可在单个活细胞内运行的生物计算机的第三个、也是最后一个器件。

　　在生物环境中，逻辑的可能性像在电子学中一样是无限的。研究人员可测试一个给定细胞是否接触到任何数量的外部刺激，如葡萄糖和咖啡因的存在。BIL门将决定是否将这些信息进行存储，如此即可简单地识别出细胞是否与外部刺激接触。同样，在某些因素下，也可告诉细胞开始或停止繁殖。将BIL门与研究团队的生物学网络进行连接，就有可能实现从细胞到细胞的遗传信息交流，从而协调一组细胞的行为。

　　为了创建转录器和逻辑门，研究团队使用了经过仔细校准的酶组合，其能控制RNA聚合酶沿着DNA链的流动。DNA相当于电线，RNA聚合酶相当于电子。对6个基本逻辑门的设计和构建是基于2种丝氨酸重组酶的活性基础之上的。每个逻辑门由3个基因组成：2个为编码输入的基因，一个为输出基因，该基因含有不同的转录控制元件（启动子，终止子），而这些转录控制元件在其侧面上具有重组酶识别位点。

　　该转录器获得了介于生物学晶体管和半导体晶体管之间的一些类似重要功能：信号放大。聚合酶表达的微小变化，即可引起其他两个基因表达的很大变化。此一结果或将成为构建更大、更复杂基因电路的进身之阶。

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