双通道生物函数发生器

专门研究合成生物学工具的莱斯大学生物工程师公布了他们的“生物功能发生器和生物示波器”的最新版本,这是一种利用光来激活和研究两种生物电路的光遗传平台。

生物功能发生器和生物示波器是基因和硬件的工具包,使用彩色灯和工程细菌为遗传电路设计世界带来数学可预测性和切割和粘贴简单性。

“不幸的是,所有的生物光传感器都是'草率的',因为它们往往会对多种颜色的光做出反应,”莱斯生物工程副教授杰弗里塔博尔说。“我们已经开发了一个详细的数学模型来捕捉这种邋and并设计多色光信号来补偿它,这样两个光传感器就可以在同一个细胞中独立控制。因为大多数控制生物行为的电路都由两个或两个组成。更多的基因,这项技术将使我们的实验室和其他人更容易研究复杂的合成生物系统。“

该研究在最近的分子系统生物学论文中有所描述。

生命由基于DNA的电路控制。这些与智能手机和其他电子设备中的电路类似,具有关键差异:流经电子电路的信息是电压,流经遗传电路的信息是蛋白质生产。遗传电路可以打开或关闭 - 产生蛋白质或不产生蛋白质 - 并且可以调节它们产生或多或少的蛋白质,就像电子电路的电压可以升高或降低一样。

三年前在塔博尔实验室首次创建的生物功能发生器和生物示波器显示了类比的紧密程度。功能发生器和示波器,电气工程实验室的库存组件超过50年,是可以将电压信号馈入电路并显示信号电压如何随电路内其他位置随时间变化的测试仪器。示波器屏幕通常显示波形功能,并且可以一次绘制一个或多个信号。

生物电子仪器以完全相同的方式绘制生物电路的输出。生物电路的输入和输出很轻。具体来说,Tabor的团队开发了一种生物功能发生器,这是一组光激活基因,可用于打开和关闭基因,并在开启时调节它们产生的蛋白质含量。生物示波器包含另一组基因,它们为DNA添加荧光标签以读出电路响应,这意味着产生的蛋白质越多,样品释放的光就越多。

在新论文中,最近获得博士学位。毕业生和主要作者Evan Olson及其同事使用Tabor实验室开发的最新光学硬件和软件工具以及生物功能发生器输出的新数学模型测试了新的双功能工具。

“该模型允许我们预测输出基因表达对任何光输入信号的响应,无论光信号的强度或光谱组成如何随时间变化,”Olson说。“该模型的工作原理是描述任何波长和强度的光如何在'开'或'关'状态下转换成一组光传感器。”

奥尔森说他们在两个概念验证实验中证明了这个系统。在第一个中,他们表明系统可以补偿“微扰”信号,来自显微镜或荧光成像器的入射光,否则可能会干扰进入的光遗传信号。在第二种方法中,他们通过在同一细菌中的两个光遗传学循环中同时驱动两个独立的基因表达信号来证明多重控制。生物示波器的输出显示红线和绿线两个功能。研究人员表明他们可以激活遗传电路以产生平滑波和阶梯图案,他们表明这两个电路可以同时或在不同时间接通。

塔博尔说:“这种多路复用方法能够进行全新一代的实验,用于表征和控制生物电路,这些生物电路整合多种信号,并且在生物网络中无处不在,特别是那些用于决策和发展过程的信号。”