EPFL生物網(wǎng)絡(luò)表征實(shí)驗(yàn)室（LBNC）的科學(xué)家開發(fā)了一種定量的、可復(fù)制的方法來研究甚至預(yù)測基因的表達(dá)。

科學(xué)家通常將特定DNA序列插入細(xì)胞，然后觀察細(xì)胞反應(yīng)來研究基因表達(dá)。但這是一種勞動(dòng)密集型方法，從一個(gè)實(shí)驗(yàn)到另一個(gè)實(shí)驗(yàn)可能存在差異。

EPFL生物網(wǎng)絡(luò)表征實(shí)驗(yàn)室（LBNC）的科學(xué)家開發(fā)了一種定量的、可復(fù)制的方法來研究甚至預(yù)測基因的表達(dá)。

該方法采用無細(xì)胞系統(tǒng)和高通量微流體裝置相結(jié)合。他們的工作建立了一個(gè)合成生物的邏輯門，未來可用來修改細(xì)胞功能。這項(xiàng)研究發(fā)表在《PNAS》雜志。

微通道和無細(xì)胞工藝

Nadanai Laohakunakorn是本文的合著者，他解釋了該方法的工作原理：首先，我們從細(xì)胞內(nèi)提取物質(zhì)，該“無細(xì)胞”系統(tǒng)由酶和化學(xué)物質(zhì)組成，細(xì)胞原本利用這些酶和化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行正常的生物過程。有趣的是，我們通過以高能磷酸鹽和DNA的形式向其中添加“燃料”和信息，就能啟動(dòng)細(xì)胞外基因表達(dá)。因?yàn)檫@個(gè)過程與活細(xì)胞中的情況非常相似，所以我們可以利用我們的平臺來研究一系列生物現(xiàn)象，而不必每次都修改活的細(xì)胞。

1毛錢1個(gè)反應(yīng)的無細(xì)胞蛋白質(zhì)合成

為了對基因進(jìn)行定量研究，科學(xué)家們在一個(gè)微流控芯片上監(jiān)測數(shù)千個(gè)無細(xì)胞反應(yīng)。“我們能夠同時(shí)測試幾種不同情況，建立一個(gè)合成轉(zhuǎn)錄因子定量庫，這讓我們可以預(yù)測給定蛋白對基因的影響，”另一位合著者Zoe Swank說。“我們的方法也可以擴(kuò)展到構(gòu)建相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)。”

該平臺有幾個(gè)有點(diǎn)：首先，無細(xì)胞系統(tǒng)可以模仿細(xì)胞內(nèi)系統(tǒng)，但它們明顯簡單得多，而且它們的機(jī)制還可以數(shù)學(xué)建模。這意味著，它們可以通過將更復(fù)雜的生物現(xiàn)象分解成更簡單的片段來理解整體。

第二，無細(xì)胞系統(tǒng)堅(jiān)固耐用，冷凍（甚至冷凍干燥）后仍可以保持穩(wěn)定，使其能夠大規(guī)模生產(chǎn)，并應(yīng)用于從低成本診斷到按需生產(chǎn)生物制品（如疫苗）的個(gè)性化醫(yī)療。

第三，由于它們不是活的，無細(xì)胞系統(tǒng)可以用來生產(chǎn)超出傳統(tǒng)生物制造方法范圍的化合物，不會對實(shí)驗(yàn)室環(huán)境之外造成生物污染或自我復(fù)制。

生物邏輯門

作為研究的一部分，他們從庫中收集了一些基因來構(gòu)建生物邏輯門。在電子技術(shù)中，邏輯門接收電子信號輸入，進(jìn)行計(jì)算，并產(chǎn)生二進(jìn)制輸出：1或0。同樣，科學(xué)家的生物邏輯門接收轉(zhuǎn)錄因子輸入，并產(chǎn)生一個(gè)二元輸出：該基因開啟（激活）或關(guān)閉（抑制）。

DNA自己編織自己，織出炫麗圖案

“許多邏輯門天然存在于活細(xì)胞內(nèi)，細(xì)胞利用它們來調(diào)節(jié)正常生物功能，”Laohakunakorn說。“例如，通過構(gòu)建人工們，我們可以將新功能引入細(xì)胞用于治療。無細(xì)胞系統(tǒng)是朝這個(gè)方向邁出的第一步，未來的工作可能包括使用平臺優(yōu)化轉(zhuǎn)錄因子設(shè)計(jì)，然后將其直接部署到無細(xì)胞應(yīng)用程序中，或者將它們重新導(dǎo)入活細(xì)胞中。”