一种活细胞“编程语言”

活细胞生物编程| 2016-04-04

麻省理工学院的生物工程师们创造了一种编程语言，使他们能够快速设计复杂的 DNA 编码通路，从而给活细胞赋予新的功能。使用这种语言，任何人都可以为他们想要的功能写出一段程序，如检测和应对特定环境条件的程序。然后，他们就可以生成能实现这些功能的 DNA 序列。

“这实际上是一种细菌的编程语言，”麻省理工学院的生物工程教授 Christopher Voigt 说道。“您可以使用基于文本的语言，就像你在进行计算机编程。你得到程序文本后对它进行编译，之后它变成 DNA 序列被你放入细胞内，接着这个通路就在细胞内运行。”

Voigt 和其在波士顿大学和标准与技术研究所的同事们使用这种发表于 4 月 1 日的科学（Science）杂志上的语言，构建的通路可检测多达三个输入，并以不同的方式作出反应。对于这种编程的未来应用包括设计在检测到肿瘤时能产生抗癌药物的细菌，或创建一种酵母细胞，当有太多的有毒副产物积聚时可以制止自己的发酵过程。

研究人员计划在 Web 上提供用户设计界面。

　　无需任何经验

在过去的 15 年中，生物学家和工程师们设计了许多遗传部件，如传感器，记忆开关和生物钟，它们可以合并修改现有的细胞功能，并且可以添加新的功能。

然而，设计每一个通路都是一个费力的过程，需要极大的专业知识和通常情况下大量的试验和错误。“你必需对这些碎片将如何进行工作，以及它们怎样聚集在一起有非常深厚的认识，”Voigt 说。

然而这种新的编程语言并不需要用户具有基因工程的专业知识。

“你可能对它们中的任何一部分如何工作一无所知。这就是它的不同之处，” Voigt 说。“你可能是个高中生，基于 Web 服务器输入你想要的程序，它就会吐出 DNA 序列。”

该编程语言基于 Verilog，其通常用于编程计算机芯片。通过创建一个能为细胞工作的语言版本，研究人员设计的编码元件例如逻辑门和传感器，都可以在细菌细胞的 DNA 中进行编码。该传感器可以检测不同的化合物，如氧或葡萄糖，以及光，温度，酸度以及其它环境条件。用户也可以添加自己的传感器。“这非常便于定制，” Voigt 说。

最大的挑战，他说，是设计在通路中使用的 14 个逻辑门，使它们不会在放置于活细胞的复杂环境中时互相干扰。

在编程语言的当前版本中，这些遗传元件用于大肠杆菌优化，但研究人员正在致力于扩大为其它细菌的菌株，包括在人体肠道中常见的杆菌，和通常生活在植物的根中的假单胞菌属，以及酿酒酵母。这将允许用户编写一个单一的程序，然后在不同的生物体中编译，进而为每一个生物体获取正确的 DNA 序列。

　　生物学通路

使用这种语言，研究人员编程了 60 种具有不同功能的通路，其中 45 个在他们首次测试时功能正常。许多通路被设计用于测量一种或多种环境条件，如氧气水平或葡萄糖浓度，并作出相应的反应。另一个通路被设计为随机排列三个不同的输入，然后根据每一个的优先级作出响应。

其中一个新的通路是迄今为止建造的最大的生物通路，含有 7 个逻辑门和含有约 12000 个碱基对的 DNA。

该技术的另一个优点是它的速度。到现在为止，“这将需要几年的时间来构建这些类型的通路。现在，您只需按下按钮，就会立即获得 DNA 序列并进行测试，”Voigt 说。

他的研究小组计划使用这一方法运行几个不同的应用程序：可吞食乳糖帮助消化的细菌；可以生活在植物根系和在感觉到攻击时产生杀虫剂的细菌；和当在发酵反应器中产生太多的有毒副产物时，可以被程序化地关闭的酵母。