生物工程师发明了"光管阵列","生物示波器

 行业动态     |      2021-11-23 10:56


生命由基于DNA的电路控制,这些电路类PCR似于智能手机和计算机等电子设备中的电路,"赖斯生物工程师Jeffrey Tabor说,他是该项目的首席研究员。"一个主要的区别是,将流入和流出电子电路的信号测量为电压,而生物工程师将遗传电路信号测量为基因打开和关闭。

在今天发表在《自然方法》杂志上的一篇新论文中,Tabor及其同事,包括研究生和主要作者Evan Olson,描述了一种新的超高精度方法,通过将来自光合藻类的光敏蛋白与简单的红色和绿色LED灯阵列以及标准荧光报告基因相结合,来创建和测量细菌中的信号。通过改变灯光的时间和强度,研究人员能够准确控制表达不同基因的时间和数量。

"光为我们提供了一种可靠的测量遗传回路活性的强大新方法,"生物工程助理教授Tabor说,他还在莱斯的系统,合成和物理生物学博士课程中任教。"我们的工作受到用于研究启发。电气工程师拥有示波器和函数发生器等工具,使他们能够测量电压信号如何流经电路。这些测量对于使多个电路正常工作至关重要,因此可以构建更复杂的设备。我们使用基于光的工具作为生物函数发生器和示波器,以便以类似的方式分析遗传电路。遗传回路也处理信息。它们的成分是控制基因是否表达的DNA片段。基因表达是读取和转化DNA以产生在细胞中具有特定用途的产品(例如蛋白质)的过程。如果一个基因没有被"表达",它就会被关闭,并且不会产生其产物。Tabor研究中使用的细菌有大约4000个基因,而人类有大约20000个基因。生命的过程由基因打开和关闭的不同组合和时间协调。

遗传回路的每个组件都作用于它所接收的输入(可能是来自其他组件的一个或多个基因表达产物),并产生自己的基因表达产物作为输出。通过将正确的遗传成分连接在一起,像Tabor和他的学生这样的合成生物学家构建了遗传电路,对细胞进行编程以执行复杂的功能,例如计数,具有记忆,生长成组织或诊断体内疾病的特征。

例如,在之前的研究中,Tabor及其同事设计了,允许细菌根据入射光改变其颜色。该技术允许该团队在培养皿中创建细菌菌落,其行为可能像相纸一样,并复制黑白图像。

在这项新研究中,Tabor和Olson意识到光可以用来产生上升和下降的时变基因表达信号,类似于电子工程中使用的信号。

"在电子学中,两个关键工具是函数发生器和示波器,"应用物理学研究生Olson说。"函数发生器将已知信号发送到被表征的电路中。示波器是一种带有屏幕的设备,工程师用它来查看电路输出。通过扭转函数发生器上的旋钮并查看示波器上的相应输出,工程师可以推断出电路的各个部分正在做什么。

"荧光报告基因系统是我们版本的示波器,"他说。"它让我们可以查看电路的输入和输出,并且因为它使用光来报告正在发生的事情,所以它提供了一个非常干净的信号。

有了他们的"生物示波器",该团队需要一个相应的函数发生器。奥尔森是Nature Methods论文的主要作者,他在2011年底将他的电子技能付诸实践,并发明了"光管阵列",这是一种可编程的八乘八LED灯,可以安装在标准的64孔试管托盘下。通过在每个试管周围添加一些阻挡光的泡沫,该团队有办法将单独编程的光信号发送到阵列中的每个试管中。通过改变信号并使用其生物血压计测量相应的输出,该团队能够准确确定其测试电路的性能。