{科研}Science：在活细胞中构建出基于重组酶的状态机器

2016年7月23日——科学家可以利用合成生物学对细胞进行编程，以执行一些新的功能，例如响应一种特殊的化学物质产生荧光，或者设计用于疾病特异性标记的药物。

在一项新的研究中，麻省理工学院(mit)和美国其他机构的研究人员朝着设计更复杂的电路迈出了一步，对细胞进行编程，以便它们可以记住一系列事件并对它们做出反应。相关研究成果发表在2016年7月22日的《科学》杂志上，题目为“活细胞中基于合成重组的状态机”。本文作者是麻省理工学院电子工程、计算机科学和生物工程系副教授蒂莫西·卢博士。

研究人员说，这些细胞被编程为以正确的顺序记住三种不同的输入信号，但这种方法应该能够扩展到更多的输入信号(或刺激信号)。使用这个系统，科学家可以以特定的顺序跟踪细胞事件，建立环境传感器来存储复杂的历史，或者对细胞运动轨迹进行编程。

这种方法使科学家能够构建生物“状态机”——根据他们接收的输入信号的特征和顺序，以不同状态存在的设备。研究人员还可以设计软件，帮助用户设计一些电路，模拟不同状态的状态机，然后在单元中进行测试。

在这项新的研究中，研究人员编码的状态机电路依赖于所谓的重组酶。当被细胞中特定的输入信号(如化学信号)激活时，重组酶会根据两个称为识别位点的脱氧核糖核酸靶序列的方向删除或逆转一段特殊的脱氧核糖核酸。这两个识别位点之间的dna序列可能包含对不同输入信号有反应的其他重组酶的识别位点。如果第二个或第三个重组酶后来被激活，翻转或删除这些位点将改变dna序列上发生的事件。因此，对这个dna序列进行测序可以确定一个细胞的历史。

在只有两个输入信号的系统的最简单版本中，该环路有五种可能的状态:对任何输入信号没有响应，只对输入信号A有响应，只对输入信号B有响应，先对输入信号A有响应，再对输入信号B有响应，先对输入信号B有响应，再对输入信号A有响应..研究人员还设计并构建了一个记录三种输入信号的电路，该电路有16种可能的状态。

在这项研究中，研究人员对大肠杆菌细胞进行编程，使其对实验室实验中常用的一些物质做出反应，包括atc(四环素抗生素的类似物)、一种叫做阿拉伯糖的糖分子和一种叫做dapg的化学物质。为了实现医学或环境应用，这些重组酶可以被重新设计以响应其他条件，例如酸性或特异性转录因子。

在设计了一个可以记录一系列事件的电路后，研究人员然后将一些基因和一些遗传调节元件整合到一系列重组酶结合位点中。在这些回路中，当重组酶重组dna时，这些回路不仅记录信息，还控制基因的开启或关闭。

研究人员使用编码绿色、红色和蓝色荧光蛋白的三个基因，构建了一个对应于两个具有不同属性和序列的输入信号的环路，以表达不同的荧光蛋白组合来测试这种方法。例如，当细胞携带先接收输入信号A再接收输入信号B的环路时，会发出红、绿光，而细胞先接收输入信号B再接收输入信号A，则会发出红、蓝光。

该论文的第一作者、麻省理工学院的研究生纳撒尼尔·罗凯说:“我们可以记录生物事件的组合及其发生顺序，并对这些事件做出反应。这有大量潜在的应用。我们对哪些因素调节特定细胞的分化或引起某些疾病了解很多，但对这些因素的时间组织仍知之甚少。这是我们希望用我们的方法探索的一个领域。”例如，科学家可以使用这项技术来跟踪干细胞或其他未成熟细胞向成熟细胞的分化。他们还可以跟踪癌症等疾病的发展。以前的研究表明，致癌突变的序列可以决定疾病的行为，包括癌细胞对药物的反应以及如何产生肿瘤。此外，工程师可以使用本研究中开发的这些状态机平台对细胞进行编程，使其具有一些新的细胞功能。