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环球科技参考
时间:2019-05-16  浏览:

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研究人员将细胞编程为数字信号处理器

 

日前,合成生物学家成功实现在活细胞的基因电路中增加高精度的模数信号转换器,极大地扩展了工程生物对化学、物理和环境变化的程序化反应。

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自然界中,细胞通常必须根据灰度的信息做出非黑即白的决定。例如,有一个基因可以保护细胞在高酸性的环境中生存,但激活该基因需要大量能量。经过漫长自然选择,过早或太晚激活基因的细胞会被在最佳时间做出决定的细胞所淘汰,保证生存的同时消耗最少的能量。自然界中的细胞通过协调组装过程,由几种转录因子蛋白质自组装成一个更大的复合体,根据外界环境的刺激程度决定反应开关是否开启。

近日,美国陆军实验室研究人员在新型合成生物分子复合物构建方面取得进展,迈出了生物模拟先进材料的关键一步,相关研究工作发表在最近出版的《自然—化学》上。

研究者开发一个合成蛋白质组分的模块化系统,组装成不同大小的复合物,从而设计协调组装。在这个系统中,工程细胞被编程以产生装配组件,响应激活电路的任何输入。例如,研究者编程酵母对两种不同的药物作出反应,酵母内产生的组分的浓度随着药物的浓度而上升和下降。常规情况下,这些组件以极弱的交互作用连接,不会产生作用,当达到临界浓度时,它们会形成一个紧密的复合体,对环境做出应答。展望未来,研究者计划使用模数转换器和其他合成基因电路来探索和操作指导免疫和干细胞功能的调控程序,从工程的人类细胞中开发基于细胞的转化疗法。(吴晓燕)

莱斯大学、波士顿大学、麻省理工学院、哈佛大学、布罗德研究所和布兰迪斯大学的研究者利用一种叫做“协调组装”的生化过程,设计出既能够解码频率相关信号,又可以进行动态信号过滤的基因电路。工程协调组装技术使研究人员能够进行复杂的细胞组合信号处理,如胚胎发育和分化。这是合成生物学一个巨大突破,它解决了细胞如何在DNA水平上处理信息的重要问题。

《中国科学报》 (2019-05-14 第2版 国际)

研究人员表示,合成蛋白质单位的表面电荷被人工强化,产生带正电荷或带负电荷的蛋白质单位,以形成超荷电蛋白质。此功能允许团队创建仅由电荷驱动的自组装结构。为了验证这种能力,研究人员利用计算建模来设计两种荧光蛋白,一种是超级阳性蛋白,另一种是超级阴性蛋白。当合成并混合相反增压的荧光蛋白时,产生了良好有序的聚集体。

 

由此,这些简单的荷电蛋白质以一种在自然界中未被观察到的方式组装成有序的结构,这些原体是两对带相反电荷的荧光蛋白的聚集体。一旦原体形成,它们就可以通过改变溶液的离子强度或pH值来可逆地组装。在非常低的离子强度下,蛋白质组装后的结构大于细菌细胞。

目前,全世界有20~50个研究小组致力于人工细菌基因组制造。该研究率先展示了整个细菌基因组化学合成的简化。简化的细菌基因组非常有用,因为它可以更容易地合成基因组,并且可以研究细胞生存所需的最小基因。未来,科学家们可以设计出更简单的微生物,更有效地发展DNA疗法以及制造酶和营养素。(吴晓燕)

计算机生成首个合成基因组

早在2008年,生物学家John Craig Venter领导的美国研究团队从头合成细菌Mycoplasma genitalium基因组成为头条新闻。无独有偶,瑞士研究小组合成了细菌Caulobacter ethensis的基因组,它是一种生活在淡水中的物种。然而,与Venter小组不同的是,他们将基因组简化为一个简单的版本,这些基因被确定为对细胞功能至关重要。然后,该小组利用计算机算法编辑其余基因中的DNA构建模块,以消除遗传复杂性,同时保留基因的核心功能。研究发现680个基因中只有580个在人工基因组中发挥作用。研究者表示,在不久的将来,生产人工基因组片段和全基因组的活细胞将成为可能。

美开发出新型生物材料工具

合成生物学在军事方面是一个关键技术领域,具有破坏性的潜力,可以指导陆军在未来的作战环境中如何战斗并获胜。埃级尺寸规模上的生物制造目前很难做到,在这一级别上的自组装和功能化的实验和示范将可以为许多与陆军相关的应用制造纳米级材料。(陈方)


美国陆军研究实验室和得克萨斯大学奥斯汀分子生物科学系的研究人员组成的研究小组开发了“超荷电蛋白组装”的策略,将成对的带相反电荷的合成蛋白结合起来形成等级有序的对称结构。

https://doi.org/10.1038/s41557-018-0196-3

日前,瑞士苏黎世联邦理工学院研究人员首次在计算机算法的帮助下构建了一个简化的人工细菌基因组,有助于构建更适合的工程菌用于生产治疗药物和其他化学品。