"可編程醫學"是新生物電路研究的目標

2020-11-08 柔智燴

"可編程醫學"是新生物電路研究的目標

喬治亞理工學院的研究團隊使用生物材料製造其模數轉換器。

在合成生物學的世界中，邏輯門和遺傳時鐘等基礎組件的開發使電路的設計變得越來越複雜，包括解決數學問題，構建自主機器人和玩互動遊戲的能力。喬治亞理工學院的一組研究人員現在正在使用他們對生物電路學到的知識，為可編程醫學的未來奠定基礎。

就像任何其他小瓶透明液體一樣，這些可編程藥物將與我們的生物系統直接通訊，對流經我們身體的信息進行動態響應，以在需要的時間和地點自動提供適當的劑量。這些未來的藥物甚至可能終生存在於我們體內，與感染，抗癌和其他疾病作鬥爭，從根本上成為我們自身的治療性生物學延伸。

我們距此還差很多年，但是通過Gabe Kwong實驗室的研究獲得的見解使我們與"酶計算機"的發展相距更近。"酶計算機"是用生物成分設計的生物電路，具有擴展和增強生活功能的能力。

喬治亞理工大學和埃默裡大學的Wallace H. Coulter生物醫學工程學系副教授K光說，他與研究員Brandon Holt合作在論文上說："蛋白酶電路用於加工生物信息"（ "Protease circuits for processing biological information,"），10月6日在Nature Communications雜誌上論述："長期的願景是可編程免疫的概念"。這項研究是由美國國立衛生研究院資助的。

霍爾特說，這篇文章的故事始於兩年前，當時"我們的實驗室在開發基於酶的診斷方法方面擁有豐富的歷史；最終，我們開始將這些系統視為計算機，這導致我們設計了簡單的邏輯門，例如與門和或門。這個項目有機地發展了，我們意識到我們還可以構建其他設備，例如比較器和模數轉換器。最終，這導致了採用模數轉換器並將其數位化細菌活性的想法。"

最終，他們組裝了可以與細菌感染的血液結合的無細胞生物電路，"其基本思想是可以量化細菌感染（細菌數量），然後基本上實時地計算並釋放選擇性藥物劑量"，霍爾特博士說。

研究人員試圖構建一種利用蛋白酶活性在數字或模擬框架下處理生物信息的生物電路（蛋白酶是將蛋白質分解為較小的多肽和胺基酸的酶）。該團隊使用僅由生物材料製成的微型設備構建了其模數轉換器，該設備將細菌中的信號改變為一和零。然後，電路使用這些數字來選擇殺死細菌而不會過量的所需藥物的適當劑量。

這是傳統方法-生物電路將分子信號數位化，從而允許通過布爾邏輯執行操作。團隊新論文的第二部分採用了更加細緻入微的方法，重點是模擬電路而非數字電路。Holt說："我們將蛋白酶活性視為多值信號，介於1到0之間。"

這種多值方法導致了另一個想法，並最終帶來了模擬生物電路的大圖。

他補充說："我們被這種模糊邏輯的思想所吸引，您可以在其中思考如果信號介於零和一之間會發生什麼。" "這更像是一個模擬電路。我們真的受到這個概念的啟發，因此我們決定使用與以前相同的基本材料（蛋白酶和肽）來構建模擬生物電路。而且我們能夠解決數學上的預言題，即"學習噪聲與奇偶性"。

利用模擬框架處理來自生物分子環境的信息的能力至關重要。他說："模糊邏輯很有趣，因為生物學不會以零和一來思考。" 生物學是一種光譜。因此，如果您考慮酶活性，那麼它就不會永遠停滯不前。它處於打開狀態，活動範圍可以在零到一之間。因此，長期目標是認識到生物學並不像數字電子電路那麼簡單。實際上，您需要一些能力來處理模擬信號。"

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