Nat Commun：用细菌构建生物计算机组件

　　

生物通报道  近日来自英国伦敦帝国理工学院的研究人员利用肠道细菌和DNA片段成功地构建出了可用于处理信息的“生物逻辑门”，这一研究成果为科学家们研制出新一代的生物计算机铺平了道路。相关研究论文在线发表在10月18日的《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

文章的共同作者、伦敦帝国理工学院合成生物学和创新中心、生物工程学系教授Richard Kitney表示：“逻辑门是计算机的基础，它是一种对输入的信息进行逻辑运算，然后输出信息的装置。通过对不同的逻辑门进行各种组合，就可以搭建出复杂的计算机电路。现在我们证实我们能利用细菌和DNA复制出当前计算机所用电路逻辑门相似的生物逻辑门。我们希望这一成果能够推动研发出新一代的生物计算机，并将其推广到生物信息处理应用中去。”

虽然从前也有一些研究实现了“生物逻辑门”，然而却缺少模块化叠加的功能。研究人员表示新的“生物逻辑门”显示了远超以往的优越性，它们以更加类似于电路逻辑门的方式发挥功能。新“生物逻辑门”具有可模块化的特性，可通过相互组合形成不同类型的逻辑门，因此这一成果是迄今最先进的。

首先科学家用一种无害的大肠杆菌(E.Coli)构建了一个称之为“是门”（AND Gate）的生物逻辑门。随后他们利用基因改造的方法对大肠杆菌进行了重编程，使其在受到化合物刺激时能够通过转换“开”（on）或“关”（off）进行信息处理。

此外，研究人员还证实这种生物逻辑门能够如同电路元件一样连接到一起形成更为复杂的元件。在另一项实验中，研究人员成功地构建了一个“非门”（ NOT gate），并将其与AND gate组合到一起形成了更为复杂的“与非门”（NAND gate）。

尽管还有一段漫长的道路要走，研究人员表示他们相信终有一天这些生物逻辑门能作为显微生物计算机的组件，广泛地应用到多种生物医疗设备中，例如血管流动传感器用于检测血管中有害斑块的组成，快速向受累区域递送药物；或是作为癌症传感器，用于检测及摧毁体内的癌细胞，或是作为环境污染检测器，用于监测和清除有害毒素等。

下一阶段研究人员将尝试研制出有多个逻辑门组成的更为复杂的生物电路。而目前他们面对的主要挑战之一就是如何找到一条路径将这些生物逻辑门像电路逻辑门一样连接到一起，共同执行复杂的处理任务。

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Engineering modular and orthogonal genetic logic gates for robust digital-like synthetic biology

Modular and orthogonal genetic logic gates are essential for building robust biologically based digital devices to customize cell signalling in synthetic biology. Here we constructed an orthogonal AND gate in Escherichia coli using a novel hetero-regulation module from Pseudomonas syringae. The device comprises two co-activating genes hrpR and hrpS controlled by separate promoter inputs, and a σ54-dependent hrpL promoter driving the output. The hrpL promoter is activated only when both genes are expressed, generating digital-like AND integration behaviour. The AND gate is demonstrated to be modular by applying new regulated promoters to the inputs, and connecting the output to a NOT gate module to produce a combinatorial NAND gate. The circuits were assembled using a parts-based engineering approach of quantitative characterization, modelling, followed by construction and testing. The results show that new genetic logic devices can be engineered predictably from novel native orthogonal biological control elements using quantitatively in-context characterized parts.