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最新研究(Nature子刊):用合成的原型细胞进行基于DNA的通信和计算

2019-03-15
最新研究(Nature子刊):用合成的原型细胞进行基于DNA的通信和计算


原文:DNA-based communication in populations of synthetic protocells, Nature Nanotechnology (2019).


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这项工作为合成原型细胞的化学认知提供了一个新的方向,并有望在生物传感治疗方面发挥作用。


由DNA制成的分子计算机利用DNA链之间可编程的相互作用将DNA输入转换成编码输出。然而,DNA计算机速度很慢,因为它们在“化学物质汤”中工作,依赖随机分子扩散来执行计算步骤。


将这些过程组装在能够相互发送DNA输入和输出信号的人工细胞样实体(原型细胞)中,将提高分子计算的速度,并保护被包裹的DNA链不被血液中的酶降解。


发表在《自然纳米技术》杂志上的一项新研究中,布里斯托尔大学的Stephen Mann教授领导的研究小组和埃因霍温科技大学的Tom de Greef教授开发出一种新方法叫做BIO-PC(原型细胞的生物分子实现通信(Biomolecular Implementation Of Protocell communication)),这种方法基于群体的半透胶囊(proteinosomes),包含多样性DNA逻辑门,可用于分子传感和计算。

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:显微镜图像显示绿色,深蓝色和蓝色标记的合成原型细胞用于DNA通讯和计算。原型细胞包含DNA逻辑门,并被限制在微流体装置的一对小柱子(灰色物体)之间。资料来源:布里斯托尔大学


分区室提高了计算线路的速度、模块性和可设计性,减少了DNA链之间的交叉,并使分子线路在血清中发挥作用。


这种新方法为利用原型细胞通信平台使嵌入式分子控制线路,为更接近于生物传感和治疗的实际应用奠定了基础。


布里斯托尔原生命研究中心的曼恩教授说:“利用DNA逻辑代码在智能人工细胞之间进行化学通讯的能力,为非传统计算和类似生命的微型系统之间的接口开辟了新的机会。”


“这将使分子控制线路更接近实际应用,并为了解具有信息处理能力的原型细胞在生命起源时是如何运作的提供新的见解。”


摘要:开发基于正交通信信道的分子通信平台是构建人工多细胞系统的关键一步。在此,我们提出了一个通用的、可扩展的平台,名为“原生细胞通讯的生物分子实现”(BIO-PC),以实现非脂质半透微胶囊群体间的分布式多通道分子通讯。我们的方法利用无酶DNA 链置换线路的模块化和可扩展性来开发能够感知、处理和响应基于DNA的消息的原型细胞联合体。我们设计了丰富多样的生化通信设备,能够级联放大、双向通信和分布式计算操作。封装DNA链替换线路进一步使得它们在非分隔的DNA线路不能运作的浓缩血清中使用。BIO-PC能够在生物相关环境中可靠地执行基于DNA的分布式分子程序,为DNA计算和最小细胞技术开辟了新的方向。


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图1 Bio-PC的设计。a, Bio-PC平台总体策略。具有封装DNA门复合物的原始细胞定位在二维(2D)空间网格上,能够感知、处理和分泌短的基于ssDNA的信号。该系统是通过添加ssDNA输入来启动的,并通过共聚焦显微镜跟踪每个原始细胞与分区DSD反应相关的反应动力学。单个原始细胞可以被配置来执行从信号检测到布尔逻辑操作的各种任务。b, 单个模块可以组合起来实现更复杂的群体行为,如级联信令、双向通信和分布式计算。c,制备DNA包封原始细胞的程序。d,一种用于toehold介导的原细胞内DSD反应的机制模型。


参考:https://phys.org/news/2019-03-protocells-dna-logic.html