一系列設計原則：有利於構建可預測的生物電路！

背景

說起計算機，我們通常會想到由晶元等電子元器件組成的電路。這種電路可以通過指令對各種數據進行運算處理。然而，隨著科技的蓬勃發展，計算機的概念已不再局限於傳統硅晶元組成的電子計算機。近年來，科學家們將目光轉向了細胞，將細胞變成一種「活」的計算機。

為了讓這些「活」的器件完成一系列有價值的任務，例如生產藥物、精細化學品和生物燃料，檢測病原體並在體內釋放醫藥分子，合成生物學家們需要讓細胞符合人工分子機制，從而可以感知環境中的毒素、代謝水平及驗證信號等一系列刺激。這些合成生物學電路與電子電路非常相似，可以處理信息並作出邏輯判斷。

創新

近日，美國加州理工學院的研究團隊為採用機電工程工具設計生物電路開發出一系列指導原則。生物電路與電氣電路類似，但卻是由細胞和生物組成。

例如，抗瘧疾的復方青蒿素由一種名貴的熱帶植物製成，所以美國加州大學伯克利分校的科學家們將這種植物的新陳代謝機制人為設計到酵母細胞中，從而無需採用植物或土壤就可以合成青蒿素。然而，預測這些電路性能的能力（在紙上設計它們，然後成功地實現這一設計）仍未得到充分發展。

這項新研究中描述的一系列生物工程設計原則，將構建出更加高效與可預測的細胞系統。

技術

之前是加州理工學院的研究生、現在是哈佛大學的博士後研究員、論文領導作者 Noah Olsman 表示：「我們是這麼想的，如果你設計一個飛機，那麼你不可能從設計一千架不同的飛機開始，將它們都發送上天，然後看看哪個可以飛。取而代之的是，你開始的時候是研究對於飛行來說很重要的數學與物理知識。同樣，設計生物電路的過程可以真正從某些量化的指導原則中受益。」

生物系統持續地測量環境並調整以保持體內穩態（一種平衡的穩定狀態）。我們的眼睛會根據光線和黑暗作出調整；我們的身體無論處於灼熱的天氣還是冰冷的暴風雪中，都會保持相同的體內溫度。即使是單個細胞（生命的基本單元），也會面對不同的環境，並進行精準的測量和調整以繼續生存。測量外部的世界並作出內部調整的過程稱為「反饋」。

反饋在工程中被普遍研究。設計反饋系統的一個案例，就是汽車的巡航定速模式。汽車測量並相應地加速或減速，然後再進行一次測量，作出需要的改變，如此循環往複。此外，室內恆溫器的設計也採用了反饋，測量外部的溫度，然後根據需要來加熱或者冷卻。

理想情況下，系統將快速達到期望狀態，並強勁地對抗大或小的擾動。但是當設計系統時，工程師們經常根本無法做到。例如，使摩托車比汽車更穩定且易操控的特徵，也會使其容易產生碰撞。一個稱為「控制理論」的工程學分支，通過數學方法描述了這些性能之間的權衡。

近期，在兩篇新的研究論文中，Olsman 及其同事們採用控制理論描述了構建生物系統的設計原則。

Olsman 表示：「生物學中一個主要的問題就是，我們能否像理解電氣電路或者機械裝置一樣去理解生物系統？我們能否理解細胞如何將分子成分組織到一起形成生命？我們可以自己來設計這個機制嗎？就像去理解可以設計成筆記本電腦的數字電路，理解細胞網路將使我們可以自己來構建生物系統。」

Olsman 及其合作者們研究了一種簡單的細菌反饋模型（由加州理工學院的另一支團隊用大腸肝菌開發）。在這些細菌菌落中，為了相互發送信號，每一種細菌都會發出小分子。這些細菌被設計成在發出這些信令分子的同時產生毒素。細菌菌落越大，毒素濃度就越高。在毒素高到一定程度的時候，一些細菌開始死亡，從而降低毒素濃度。這個反饋系統調節了細菌菌落的生長。

研究人員用這個系統來開發生物反饋的數學描述。

Olsman 表示：「細胞是複雜的機器，飛機和衛星也一樣。正確的數學思考能夠揭示出主宰複雜世界的簡單原理。」

關鍵字

細胞、電路、數學

參考資料

【1】https://www.caltech.edu/about/news/bioengineers-guide-design

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！