美开发出能进行逻辑操作的可存储基因模块

科技日报,2013-03-14

据《自然》网站近日报道，美国麻省理工大学（MIT）科学家开发出一套简单的基因模块，能对输入信号起反应，在活细胞中执行逻辑命令，就像计算机中所用的布尔逻辑门。研究人员指出，利用这些“基因线路”能追查一个细胞在何时到达其生命关键时刻，拨动基因开关改变细胞命运。相关论文发表在《自然·生物技术》杂志上。

逻辑与存储是电子线路的两大基本功能，由此才产生了各种复杂的反应。合成生物学旨在把电子工程中的概念引入到细胞生物学中，把基因功能作为电路组件。新研究由MIT合成生物学家蒂莫西·卢领导，他们开发的逻辑模块以质粒为基础，这里的质粒是一种环形的DNA链，将其插入大肠杆菌细胞中。并利用重组酶，将合成基因线路有效地组装起来，不仅能执行布尔逻辑功能，还具有稳定的DNA编码存储功能。他们设计了16种质粒，在计算中能执行所有2-输入-1-输出的布尔逻辑门。

执行计算的每个变量都包含启动子、终结子和一个“输出基因”，启动子和终结子能打开或中止基因转录，输出基因则编码一个绿色荧光蛋白（GFP）。系统的关键是利用重组酶切断并重排启动子和终结子DNA序列，让它们打开或关闭。重组酶好比输入命令，决定了输出基因能否被转录。比如在电子的“与”门中，给两个输入点通电会输出一个正值；而在基因“与”门中，只有当终结子序列在中间，并且启动子序列被两个输入重组酶中和时，输出基因才会被转录而表达出一个绿色荧光蛋白。

在以往研究中，人们也曾利用重组酶将数据写入DNA以便存储，而新研究将这种理念更推进了一步，使DNA本身成为计算机的一部分。卢说，如果经过修改的DNA可作为调控元素，像启动子序列或终结子序列那样，就能控制细胞里的某些事情。

另一位MIT合成生物学家克里斯托弗·沃伊特说，这种人造模块是一种“极其数字化且永久性的DNA信息存储方式。它的逻辑能存储多重经验，如细胞曾遇到两种环境会记住事件顺序。”而且这种改变是永久性的，“在细胞死亡后，这些信息还能从它的DNA中提取出来。”研究人员还发现，改变了的质粒能代代相传，至少能传90代。

卢还指出，这种方法在生物技术中也非常有用。这些基因开关形式简单易于访问，如生产某种药物，制造商可以培养一种细胞事先关闭其关键基因，当系统一切就绪后，输入某种信号化合物激活这些关键基因，并保持永久性打开，以生产药物。在达到某个临界值时，再用其他开关来中止生产。