科学家让工程细胞执行布尔逻辑门

来源：Inoue Lab
据每日科学网5月31日（北京时间）报道，最近，美国约翰·霍普金斯大学通过基因工程对一种细胞进行改造，改造后的细胞就像表达“或（or）”和“与（and）”的布尔逻辑门，能根据一个或多个确定输入产生一个相应输出。研究人员指出，这一成果有望帮助科学家最终造出用细胞做微线路的计算机。相关论文发表在最近出版的《自然—化学生物学》上。该研究领导、霍普金斯大学医学院细胞生物学副教授井上尊生（音译）说，布尔逻辑门中，“与”门是根据两个确定输入值得到一个输出值；“或”门是根据是否在两个输入值中二选一，或两个都选来给出输出值，但用整个细胞来开发逻辑门非常困难。以往研究大部分是利用细胞的转录机制，即细胞读取基因合成蛋白质的过程，以此生成输出信号。但转录过程可能会很慢，需要几分钟甚至几天时间才能生成期望的反应。而新研究利用了一种名为化学诱导二聚作用（CID）的技术，能让反应大大加速。井上解释说，由于“与”门和“或”门是根据两个不同输入来产生一个输出反应，要么都选，要么二选一，这要求两个单独的CID系统，既不会相互竞争，也不会彼此覆盖。第一个CID系统是通过雷帕霉素得到的两种蛋白FRB和FKBP。第二个CID系统是通过植物激素赤霉素得到的另外两种蛋白质GID1和GAI。这两个系统一个来自动物，一个来自植物，所以相互间不会竞争。研究人员通过基因工程改造了哺乳动物细胞，使其能产生所有这4种必需的蛋白质，并在有两种蛋白质同时产生时能输出一个反应。当FRB和FKBP、GID1和GAI两组中，有一组蛋白质连在一起时，研究人员用显微镜能看到细胞膜上出现了明显褶皱。为了生成“或”门，他们把FRB和GAI结合放在细胞膜上，把FKBP和GID1结合，让它们自由漂浮在细胞里。而为了生成“与”门，他们只把GAI放在细胞膜上，让FRB、FKBP二聚体和GID1自由漂浮。然后加入雷帕霉素、赤霉素或同时加入两种，让自由漂浮的二聚体和细胞膜上的二聚体相遇，使互相匹配的蛋白质结合在一起，以此引发输出信号。实验显示，每个工程细胞逻辑门都在几秒钟内产生了预期的反应。除此之外，研究人员还用荧光物质作为输出，生成了相似的逻辑门。井上指出，最终他们可能用相似的细胞逻辑门来建造更大、更复杂的线路，为开发以细胞为基本单位的计算机打下基础。单个的细胞线路也可以被改造，生产特殊的化学产品，用于探测或诊断中。此外，利用这种合成逻辑门系统，还可以研究自然界的细胞是如何产生各种生化物质来维持自身功能顺利运作的。（来源：科技日报常丽君）