研究描述了用于在活细胞内计算的生物晶体管

在一项新发表的研究中,斯坦福大学的研究人员描述了一种生物晶体管,它是由遗传物质(DNA和RNA)代替齿轮或电子制成的

当Charles Babbage在19世纪制造第一台计算机时,他想象使用机械齿轮和闩锁来控制信息ENIAC是20世纪40年代开发的第一台现代计算机,使用真空管和电力

今天,计算机使用由高度工程化的半导体材料制成的晶体管来执行其逻辑操作

现在,斯坦福大学的生物工程师团队已将计算工作超越了机械和电子学进入生物学的生物领域在3月28日发表在“科学”杂志上的一篇论文中,该团队详述了一种由遗传物质 - DNA和RNA制成的生物晶体管 - 代替齿轮或电子

该团队将其生物晶体管称为“转录物”“转录物是放大遗传逻辑的关键组成部分 - 类似于晶体管和电子ics,“Jerome Bonnet博士,生物工程博士后学者和该论文的第一作者

创造转录本允许工程师计算内部活细胞,以记录细胞暴露于某些外部刺激或环境因素时,甚至可以根据需要打开和关闭细胞繁殖“生物计算机可用于研究和重新编程生命系统,监测环境并改善细胞治疗,”生物工程助理教授Drew Endy博士说道,该论文的高级作者生物计算机在电子学中,晶体管控制电路沿电路的流动同样,在生物制剂中,转录因子控制特定蛋白质RNA聚合酶的流动,因为它沿着一条DNA链传播“我们重新利用了一组天然蛋白质,称为整合,实现对DNA聚合酶沿DNA流动的数字控制,这反过来又使我们能够设计扩增基因c逻辑,“Endy使用转录本,该团队已经创建了电子工程中已知的逻辑门,可以得出几乎任何可能在细胞内提出的生化问题的真假答案

他们指的是基于转录本的逻辑门因为单独的基于Transcriptor的门的“布尔整合逻辑”或“BIL门”不构成计算机,但它们是可以在个体活细胞内操作的生物计算机的第三个也是最后一个组成部分尽管它们有外在差异,但都是现代计算机,从ENIAC到Apple,共享三个基本功能:存储,传输和执行信息逻辑操作去年,Endy和他的团队在提供全功能基因计算机的另外两个核心组件方面做了新闻

第一个是DNA中可重写的数字数据存储它们还开发了一种从细胞到细胞传递遗传信息的机制,这是一种生物学Inte rnet这一切都加起来在活细胞内创造一个计算机Boole的黄金数字逻辑通常被称为“布尔逻辑”,在1854年提出该系统的数学家乔治布尔之后今天,布尔逻辑通常采用1s和计算机内的0s答案为真,门打开;回答错误,闸门关闭打开关闭开关1 0这就是基本但事实证明只有这些简单的工具和思维方式你可以完成很多“AND”和“OR”只是两个最基本的布尔逻辑例如,当它的两个输入都为真时,“AND”门是“真” - 当“a”和“b”为真时另一方面,“OR”门在其中一个或两个都是真的它的输入是真实的在生物学环境中,逻辑的可能性与电子学一样无限,Bonnet解释说“你可以测试给定细胞是否暴露于任何数量的外部刺激 - 葡萄糖和咖啡因的存在,例如BIL盖茨将允许你做出这个决定并存储这些信息,这样你就可以很容易地识别那些已经暴露但没有暴露的信息,“他说同样的道理,你可以告诉细胞开始或停止复制,如果某些因素是目前,通过耦合BIL gat通过团队的生物互联网,可以从一个细胞到另一个细胞传递遗传信息,以协调一组细胞的行为 “潜在的应用只受到研究人员的想象力的限制,”共同作者Monica Ortiz说道,他是生物工程博士候选人,他展示了编码各种BIL门的DNA的自主细胞间通信构建转录本创建转录本和逻辑盖茨,研究小组使用了经过精心校准的酶组合 - 前面提到的整合酶 - 控制RNA聚合酶沿DNA链的流动如果这是电子学,DNA就是电线而RNA聚合酶是电子“酶的选择很重要, “Bonnet说:”我们一直小心选择在细菌,真菌,植物和动物身上发挥作用的酶,这样生物计算机就可以在各种生物体内进行设计“在技术方面,转录本实现了生物体之间的关键相似性

晶体管及其半导体表亲:信号放大使用转录因子,整合酶表达的变化非常小任何两个其他基因的表达都发生了很大的变化为了理解放大的重要性,可以考虑将晶体管首先设想为一种替代昂贵,低效和不可靠的真空管的方法,用于电话信号的放大,用于横贯大陆的电话

沿着导线传播的信号越走越远,但是如果你经常放置一个放大器,你就可以将信号传输到很远的距离

生物系统中的信号会在信号在一组细胞之间传输时保持不变“这是一个类似于晶体管收音机的概念,“Pakpoom Subsoontorn说,他是生物工程的博士候选人,也是该研究的共同作者,他开发了预测BIL门行为的理论模型”通过空气传播的相对较弱的无线电波可以放大到声音“公共领域的生物技术为了使生物计算机的时代更加快速,Endy和他的团队哈哈ve为公共领域贡献了所有BIL门,以便其他人可以立即利用和改进工具“大多数生物技术尚未被想象,更不用说通过自由分享重要的基本工具,每个人都可以更好地共同工作,”Bonnet说该研究由国家科学基金会和Townshend Lamarre基金会出版物资助:Jerome Bonnet等,“放大遗传逻辑门”,科学,2013年3月28日:DOI:101126 / science1232758资料来源:Andrew Myers,斯坦福大学图像:DNA Shutterstock的背景

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