在活細胞的基因電路中增加高精度的模擬變數字信號處理

　　波士頓大學（BU）的Ahmad "Mo" Khalil、萊斯大學的Caleb Bashor和麻省理工學院、哈佛大學、Broad研究所和布蘭迪斯大學的同事們利用一種稱為協同裝配（cooperative assembly）的生化過程，設計出既能解碼頻率相關信號又能進行動態信號過濾的基因電路。

　　“你可以把協同性看作是一種信號處理功能，它可以給你一個模擬-數字轉換器，這是一種可以把基本上線性的東西轉換成開關式的裝置，”這項研究的共同發起人、萊斯大學布朗工程學院生物工程助理教授Bashor說。

　　合成工程協同裝配裝配使研究人員能夠以細胞天然的優雅方式地執行復雜任務的組合信號處理，如胚胎發育和分化。

　　“這項工作是關于合成生物學的巡演，解決了細胞如何在DNA水平上處理信息的一個主要問題，”倫敦帝國理工學院生物工程系合成基因組工程的讀者Tom Ellis說。“眾所周知，大自然只使用很少的材料就完善了非常強大的信息處理，但由于人類細胞的復雜性，對其工作原理的精確反卷積實際上是不可能的。通過重現人類細胞在DNA水平上處理信息的方式，但在一個簡單的部分合成酵母細胞模型中，他們能夠重現第一原理的復雜信號。這是一個很好的例子，說明如何像工程師一樣思考，可以開啟一種回答主要生物學問題的新方法。”

　　在自然界中，細胞通常必須根據灰色信息做出黑白決策。例如，假設一個細胞有一個基因，允許細胞在高酸性環境中生存，但激活這個基因并獲得保護需要大量的能量。經過數十億年的自然選擇，過早或過晚激活基因的細胞會被那些在最佳時間做出決定以確保生存并消耗最少能量的細胞所擊敗。

　　“這種精度也是合成電路所希望的理想特性，”Bashor說。他于2018年加入萊斯大學，幾年前在BU博士后期間開始了這個項目。“自然細胞常常通過一個叫做協同自組裝的過程來完成，在這個過程中，幾個叫做轉錄因子的蛋白質自組裝成一個更大的復合體。只有當它們走到一起時，開關才會打開。”

　　Bashor、Khalil和同事們發明了一種合成蛋白質組分的模塊化系統，可以組裝成不同大小的復合物。在這個系統中，工程單元被編程為根據工程師希望用來激活電路的任何輸入來產生裝配部件。例如，在他們的實驗中，Bashor、Khalil和同事編程讓酵母對兩種不同的藥物產生反應，這兩種藥物通過微流控裝置以不同的濃度給藥。

　　這樣，酵母內部產生的組分分子濃度隨著模擬輸入（試驗室中藥物的濃度）的變化而升高和降低。

　　“基本上，這些組件通過非常弱的交互作用相互綁定，”Basho說。“但是，所有這些弱的交互作用加起來，在一個更大的復雜中，是非常緊密的。所以，如果周圍很少有漂浮時，它們就不會形成復合體。當達到一個臨界濃度時，它們才會互相看到，進而基本上可以聚在一起形成復合體。”

　　響應的敏銳性——在準確的預定時間迅速發生反應——是數字精度的關鍵。Bashor和Khalil設計了包含多達兩個轉錄因子成分和六個轉錄因子成分的激活復合物，他們的實驗表明，復合物越大，臨界反應越強烈。

　　“將這種類型的反應轉化為轉錄因子是使我們能夠對細胞進行編程，以執行多種復雜功能的核心，例如Boolean邏輯、時間相關濾波，甚至頻率解碼，”文章的共同通訊Khalil作者說。

　　Bashor說，他們的“四年計劃”的大部分資金都花在了精煉預測模型上了。該模型可以指導其他工程師使用該系統來設計模擬-數字轉換器，該轉換器甚至可以對多個輸入信號做出響應。

　　為了證明這方面工作，團隊設計并演示了類似微電子的信號處理電路，包括僅對低頻藥物輸入作出響應的低通濾波器和僅在高頻下激活的帶阻濾波器。

　　“我們的研究顯示了轉錄因子復合物的非線性如何被用來設計合成基因電路中的信號處理，擴大其功能和現實世界的效用，”合成生物學家和文章合著者，在MIT、哈佛大學和Broad研究所聯合出任的James Collins說。

　　今后，Bashor實驗室計劃使用模擬-數字轉換器和其他合成基因電路來探索和操作指導免疫和干細胞功能的調節程序，著眼于從工程人類細胞中開發基于細胞的轉化療法。