在一项新的研究中，来自美国麻省理工学院（MIT）、波士顿大学和美国国家标准与技术研究院的研究人员构建出一种编程语言，这种编程语言允许他们快速地设计复杂的DNA编码的电路从而给活细胞提供新的功能。相关研究结果发表在年4月1日那期Science期刊上，论文标题为“Geneticcircuitdesignautomation”。利用这种语言，任何人都能够编写程序实现他们想要的功能，比如检测某些环境条件并对它们作出反应。他们然后能够设计出一种DNA序列来实现这种功能。论文通信作者、MIT生物工程教授ChristopherVoigt说，“它简直是细菌的编程语言。正如你对计算机进行编程那样，你使用一种基于文本的语言。然后，你获取这种文本，对它进行编译，并将它转化为一种DNA序列，这样你能够将这种序列放入细胞中，接着细胞内部的生物电路就能够运行它。”在这项研究中，研究人员利用这种语言构建出能够检测多达3种输入并以不同方式作出反应的电路。这种编程的未来应用包括设计细菌细胞，当它们检测到肿瘤时能够制造抗癌药物；或者，设计出酵母细胞，如果太多毒性的副产品堆积的话，那么它们就能够阻止它们自己的发酵过程。研究人员计划将这种用户设计接口发布到网络上。并不需要有经验在过去15年，生物学家和工程师们设计出很多基因组件（geneticpart），如传感器、记忆开关和生物钟，它们能够组合在一起修饰现有的细胞功能和加入新的功能。然而，设计每种电路是一种辛苦费力的过程，需要大量的专业知识，而且经常需要大量的试错实验。Voigt说，“你不得不真正地了解这些组件如何工作以及它们如何协同发挥作用。”然而，利用这种新的编程语言，人们就不需要特别地了解基因工程方面的知识。Voigt说，“你完全不需要了解它是如何工作的。这就是它与众不同之处。你可以是一名高中生，访问网络服务器，输入你想要的程序，它就返回所需的DNA序列。”Voigt说，这种语言是以Verilog---经常被用来对计算机芯片进行编程---为基础。为了开发出在细胞中工作的语言版本，研究人员设计了能够在细菌细胞DNA中编码的计算元件，如逻辑门和传感器。这些传感器能够检测不同的化合物，如氧气或葡萄糖，也能够检测光线、温度、酸度和其他环境条件。用户们也能够加入他们自己的传感器。Voigt说，“它是非常可定制化的。”他说，最大的挑战就是设计在这些电路中使用的14种逻辑门以至于当将它们放入到活细胞的复杂环境中时，它们彼此之间不会相互干扰。在当前的编程语言版本中，这些基因组件在大肠杆菌中得到优化，但是研究人员正在努力将这种语言延伸到其他的细菌菌株，包括经常在人肠道中发现的拟杆菌属细菌，经常在植物根部中生存的假单胞菌属细菌，以及酿酒酵母（Saccharomycescerevisiae）。这将允许用户们撰写单个程序，然后针对不同的有机体进行编译，从而针对每种有机体获得合适的DNA序列。生物电路利用这种语言，研究人员编程了60种不同功能的电路，其中的45种在他们第一次测试时就能够正常地工作，而且很多电路能够测量一种或多种环境条件，如氧气水平或葡萄糖浓度，并且相应地作出反应。还有一种电路能够对三种不同的输入进行排名，然后基于每种输入的优先级作出反应。在这些新的电路中，有一种电路是有史以来设计出的最大生物电路，含有7个逻辑门和大约1.2万个碱基对DNA序列。这种技术的另一种优势在于它的快速。Voigt说，在此之前，“它需要数年时间设计这些类型的电路。如今，你仅仅需要按一下开关，立即就会获得DNA序列进行测试。”他的团队计划利用这种方法开展多种不同的应用：细菌经吞咽后协助乳糖消化；能够在植物根部生存的细菌检测到植物遭受攻击时产生杀虫剂；酵母经改造后当它们在发酵反应器中产生太多毒性副产品时能够停止发酵。

Geneticcircuitdesignautomation

doi:10./science.aac

AlecA.K.Nielsen1,BryanS.Der1,2,JonghyeonShin1,PrashantVaidyanathan2,VanyaParalanov3,ElizabethA.Strychalski3,DavidRoss3,DouglasDensmore2,ChristopherA.Voigt

ComputationcanbeperformedinlivingcellsbyDNA-encodedcircuitsthatprocesssensoryinformationandcontrolbiologicalfunctions.Theirconstructionistime-intensive,requiringmanualpartassemblyandbalancingofregulatorexpression.Wedescribeadesignenvironment,Cello,inwhichauserwritesVerilogcodethatisautomaticallytransformedintoaDNAsequence.Algorithmsbuildacircuitdiagram,assignandconnectgates,andsimulateperformance.Reliablecircuitdesignrequirestheinsulationofgatesfromgeneticcontext,sothattheyfunctionidenticallywhenusedindifferentcircuits.WeusedCellotodesign60circuitsforEscherichiacoli(,basepairsofDNA),forwhicheachDNAsequencewasbuiltaspredictedbythesoftwarewithnoadditionaltuning.Ofthese,45circuitsperformedcorrectlyineveryoutputstate(upto10regulatorsand55parts),andacrossallcircuits92%oftheoutputstatesfunctionedaspredicted.Designautomationsimplifiestheincorporationofgeneticcircuitsintobiotechnologyprojectsthatrequiredecision-making,control,sensing,orspatialorganization.

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