合成生物学的新希望有着落了?CRN++成“宠儿”

作者:亚搏体育app官网入口发布时间:2023-01-23 21:56

本文摘要:点击上方关注,All in AI中国作者——Kimberly Cook 合成生物学是一个相对较新的研究领域,可能会对包罗生物学,纳米制造和医学在内的许多领域发生重大影响。近年来合成生物物质的研究希望很快。 合成生物学与传统生物学通过剖解生命体以研究其内在结构的措施差别,合成生物学的研究偏向完全是相反的,它是从最基本的要素开始一步步建设零部件。

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点击上方关注,All in AI中国作者——Kimberly Cook 合成生物学是一个相对较新的研究领域,可能会对包罗生物学,纳米制造和医学在内的许多领域发生重大影响。近年来合成生物物质的研究希望很快。

合成生物学与传统生物学通过剖解生命体以研究其内在结构的措施差别,合成生物学的研究偏向完全是相反的,它是从最基本的要素开始一步步建设零部件。合成生物学与基因工程把一个物种的基因延续、改变并转移至另一物种的作法差别,合成生物学的目的在于建设人工生物系统(artificial biosystem),让它们像电路一样运行。

随着盘算机、生物信息、基因合成与基因测序等技术的希望,使盘算机辅助设计、全基因以致基因组人工合成成为可能,使生物工程工业化的技术瓶颈可能突破,使生物工业能够进入工程化与设计化的工业生长,导致了有如"系统科学与自动通讯技术"之间的理论研究与技术转化互动,系统科学与生物技术、系统生物学与合成生物学之间的密切互动,也将导致系统生物技术的基础研究向应用开发的转化(转化科学、转化生物学)距离迅速缩短。这个新兴领域的主要挑战是在无法插入电子微控制器的情况下将盘算嵌入分子情况中。

要做到这一点,就需要开发出可以使用分子组件有效表现盘算的方法。图丨欧几里得算法及其 CRN++语言写法德克萨斯大学奥斯汀分校的一组研究人员建立了CRN ++,这是一种用于编程确定性(质量作用)化学动力学举行盘算的新语言。

在他们预先揭晓在arXiv上的论文中,研究人员概述了这种新语言,并构建了一个将CRN ++法式翻译成化学反映的编译器。"合成生物学的一个关键技术挑战是设计一个,在细胞情况中相互作用的化学控制器,以完成一项特定任务,"开展这项研究的研究人员之一Marko Vasic告诉Tech Xplore。"为了实现这一目的,有须要设计合身分子并对它们举行编程。

分子通过化学反映相互作用,而通过编程分子,我们可以界说它们之间的相互作用规则(化学反映)。"最近DNA合成的革新为分子工程开发了新的、令人兴奋的可能性。一家法国生物技术初创公司的研究人员在加利福尼亚旧金山的一次合成生物学集会上宣布,通过在生物中使用DNA书写酶的近亲卵白,他们可以构建长达150个"字母"或核苷酸碱基的DNA链。这比几个月前创下的50个核苷酸的记载要高,险些与尺度化学方法持平。

"这是一个重要的里程碑,"乔治·丘奇说,他是波士顿哈佛医学院的遗传学家,并没有到场这项事情,正在努力开发类似的技术。效果将酶促DNA合成置于一条看起来呈指数增长的曲线上。Church和其他人说,如果是这样的话,研究人员要想缔造新的基因组或者用DNA来生存大量的信息,就会有更长的DNA片段可以制造得更快、更自制。

然而,合成生物学的研究人员首先需要设计出相互作用规则(化学反映)的方法,以到达预期的目的。这项研究的主要目的是设计一种能够以更直观的方式表达化学反映行为的高级语言。

"在软件工程中,法式员用易于明白的高级语言编写,这样的法式被编译成机械代码,这是人类难以明白的,但机械可以明白,"Vasic解释说。"我们试图通过界说一种更易于推理的高级语言来构建分子编程中的类比,并将其编译为'庞大的'化学。"图丨编译器的输出以及 CRN ++ 法式的模拟效果CRN ++基于两个想法:模块化和振荡器(oscillator)的使用。

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模块化意味着该语言包罗一组称为模块的化学反映,这些反映可以在差别的反映集之间不受滋扰地组成。为了实现这一目的,研究人员将CRN ++的基本操作映射到这些模块。他们还使用化学振荡器举行时间排序,这使他们能够将语言的有序下令下令转换为化学。"据我们所知,我们是第一个提供切合化学反映网络的强制式编程语言的人,"Vasic说。

"我们开源我们的代码,包罗CRN ++,以及模拟框架,因为我们希望这将使研究人员更容易实验新的方法,从而进一步推进该领域。"只管科学家们在合成生物学方面做的各项研究和实验还处于低级阶段,但毋庸置疑,合成生物学将催生下一次生物技术革命。

自 2000 年《自然》杂志报道了人工合成基因线路研究结果以来,合成生物学研究在全世界规模引起了广泛的关注与重视,合成生物学所缔造的这种有生命的、具有盘算机功效的活细胞,被认为可以解决许多人类现在难以解决的问题,在医学、制药、化工、能源、质料、农业等领域都有辽阔的应用前景。2002 年,美国纽约州立大学 Wimmer 实验室制造了历史上第一小我私家工合成的病毒——脊髓灰质炎病毒,开发了使用已知基因序列,不需要天然模板,从化学单体合成熏染性病毒的先河;2006 年,Blattner 实验室通过序列对比,精准删除大肠杆菌 MG1655 基因组中不稳定片段和非必须功效基因,获得了高效电转化、准确重组、稳定的基因和质粒;2010 年,Venter 研究所在《科学》杂志上报道了首例 "人造细胞" 的降生,这是地球上第一个由人类制造并能够自我复制的新物种。

到了 2018 年 8 月,《自然》杂志报道了中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所覃重军团队,使用现在业界很是热门的 CRISPR 基因编辑技术,合成出全球首例只有1条染色体的 "简版" 酵母菌株。CRISPR 也成为医学领域很是有前景的工具,用于干预干与和修正基因组缺陷。研究人员对CRN ++举行了评估,并证明晰其在一系列离散和实值盘算算法上的可行性。新语言也可以轻松扩展,以支持新的下令或实现,使其成为开发更先进的分子法式的理想基础。

"从CRN ++转换成化学的法式包罗一些错误,这些错误在某些种别的法式中可能很是低,但在其他法式中可能很高或随着时间的推移会逐渐增加,"Vasic说。"因此,我们计划进一步伐查错误泉源并设计法式,以确保错误不会凌驾限制。"Vasic和他的同事们也希望通过新模块来扩展他们的编程语言,这些模块被界说为可以执行基本操作的化学反映集。近十几年来,除了对现有天然生物系统的重新设计,科学家们还致力于新的生物元件、组件以及系统的设计和开发,并最终实现让每个生物元件可以像盘算机组件那样举行操作,现在在基因振荡器、计数器、逻辑门等方面都已经取得了瞩目结果,而类似于 CRN ++ 这样的分子编程语言的泛起,无疑又为合成生物学的国界添上重要一笔,相信其未来将会给我们带来更多惊喜。

参考文献论文地址: https://arxiv.org/pdf/1809.07430.pdf。


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