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可编程药物是新生物电路研究的目标

在合成生物学世界中,诸如逻辑门和遗传时钟之类的基础组件的开发使电路的设计变得越来越复杂,包括解决数学问题,构建自主机器人以及玩互动游戏的能力。乔治亚理工学院的一组研究人员现在正在使用他们对生物电路学到的知识,为可编程医学的未来奠定基础。

就像任何其他小瓶透明液体一样,这些可编程药物将直接与我们的生物系统通信,对流过我们身体的信息进行动态响应,以在需要的时间和地点自动提供适当的剂量。这些未来的药物甚至可能终生存在于我们体内,与感染,抗癌和其他疾病作斗争,从根本上成为我们自身的治疗性生物学延伸。

我们距此还差很多年,但是通过Gabe Kwong实验室的研究获得的见解使我们与“酶计算机”的发展相距更近。“酶计算机”是用生物成分设计的生物电路,具有扩展和增强生活功能的能力。

佐治亚理工大学和埃默里大学生物医学工程系Wallace H. Coulter副教授K与研究员布兰登·霍尔特(Brandon Holt)合作发表论文说:“长远的眼光是可编程免疫的概念。” 10月6日发表在《自然通讯》杂志上。这项研究是由美国国立卫生研究院赞助的。

模数转换器。图片提供:佐治亚理工学院电子和纳米技术

本文的故事始于两年前,霍尔特说:“我们的实验室在开发基于酶的诊断方法方面有着悠久的历史;最终,我们开始将这些系统视为计算机,这促使我们设计简单的逻辑门。,例如AND这个项目是有机发展的,我们意识到我们还可以制造其他设备,例如比较器和模数转换器,最终导致了采用模数转换器并将其数字化细菌的想法。活动。”

最终,他们组装了可以与细菌感染的血液结合的无细胞生物电路,“其基本思想是可以量化细菌感染(细菌数量),然后基本上实时地计算和释放选择性药物剂量”,霍尔特博士说。w光免疫综合实验室的学生,该论文的主要作者。

研究人员试图构建一种利用蛋白酶活性在数字或模拟框架下处理生物信息的生物电路(蛋白酶是将蛋白质分解为较小的多肽和氨基酸的酶)。该团队使用仅由生物材料制成的微型设备构建了其模数转换器,该设备将细菌中的信号改变为一和零。然后,电路使用这些数字来选择杀死细菌而不会过量的所需药物的适当剂量。

这是传统方法-生物电路将分子信号数字化,从而允许通过布尔逻辑执行操作。团队新论文的第二部分采用了更加细致入微的方法,重点是模拟电路而不是数字电路。Holt说:“我们将蛋白酶活性视为多值信号,介于1到0之间。”

可编程药物。图片提供:佐治亚理工学院电子和纳米技术

这种多值方法导致了另一个想法,并最终使模拟生物电路有了更大的前景。

他补充说:“我们被这种模糊逻辑的想法所吸引,在这里,您可以考虑如果信号在零和一之间会发生什么。” “这更像是模拟电路。我们的确受到了这一概念的启发,因此我们决定使用与以前相同的基本材料(蛋白酶和多肽)来构建模拟生物电路。并且我们能够解决数学上的先知问题,即学习奇偶性有噪音。”

w说,利用模拟框架处理来自生物分子环境的信息的能力至关重要。

他说:“模糊逻辑很有趣,因为生物学不会以零和一来思考。” “生物学是一个光谱。因此,如果您考虑酶的活性,它永远不会开和关。它是开的,并且活性可以在零到一之间。因此长远的目标是认识到生物学并不是那么简单作为数字电子电路。实际上,您需要一些能力来处理模拟信号。”

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