EPFL生物網(wǎng)絡(luò)表征實驗室（LBNC）的科學家開發(fā)了一種定量的、可復(fù)制的方法來研究甚至預(yù)測基因的表達。

科學家通常將特定DNA序列插入細胞，然后觀察細胞反應(yīng)來研究基因表達。但這是一種勞動密集型方法，從一個實驗到另一個實驗可能存在差異。

EPFL生物網(wǎng)絡(luò)表征實驗室（LBNC）的科學家開發(fā)了一種定量的、可復(fù)制的方法來研究甚至預(yù)測基因的表達。

該方法采用無細胞系統(tǒng)和高通量微流體裝置相結(jié)合。他們的工作建立了一個合成生物的邏輯門，未來可用來修改細胞功能。這項研究發(fā)表在《PNAS》雜志。

微通道和無細胞工藝

Nadanai Laohakunakorn是本文的合著者，他解釋了該方法的工作原理：首先，我們從細胞內(nèi)提取物質(zhì)，該“無細胞”系統(tǒng)由酶和化學物質(zhì)組成，細胞原本利用這些酶和化學物質(zhì)進行正常的生物過程。有趣的是，我們通過以高能磷酸鹽和DNA的形式向其中添加“燃料”和信息，就能啟動細胞外基因表達。因為這個過程與活細胞中的情況非常相似，所以我們可以利用我們的平臺來研究一系列生物現(xiàn)象，而不必每次都修改活的細胞。

1毛錢1個反應(yīng)的無細胞蛋白質(zhì)合成

為了對基因進行定量研究，科學家們在一個微流控芯片上監(jiān)測數(shù)千個無細胞反應(yīng)。“我們能夠同時測試幾種不同情況，建立一個合成轉(zhuǎn)錄因子定量庫，這讓我們可以預(yù)測給定蛋白對基因的影響，”另一位合著者Zoe Swank說。“我們的方法也可以擴展到構(gòu)建相當復(fù)雜的系統(tǒng)。”

該平臺有幾個有點：首先，無細胞系統(tǒng)可以模仿細胞內(nèi)系統(tǒng)，但它們明顯簡單得多，而且它們的機制還可以數(shù)學建模。這意味著，它們可以通過將更復(fù)雜的生物現(xiàn)象分解成更簡單的片段來理解整體。

第二，無細胞系統(tǒng)堅固耐用，冷凍（甚至冷凍干燥）后仍可以保持穩(wěn)定，使其能夠大規(guī)模生產(chǎn)，并應(yīng)用于從低成本診斷到按需生產(chǎn)生物制品（如疫苗）的個性化醫(yī)療。

第三，由于它們不是活的，無細胞系統(tǒng)可以用來生產(chǎn)超出傳統(tǒng)生物制造方法范圍的化合物，不會對實驗室環(huán)境之外造成生物污染或自我復(fù)制。

生物邏輯門

作為研究的一部分，他們從庫中收集了一些基因來構(gòu)建生物邏輯門。在電子技術(shù)中，邏輯門接收電子信號輸入，進行計算，并產(chǎn)生二進制輸出：1或0。同樣，科學家的生物邏輯門接收轉(zhuǎn)錄因子輸入，并產(chǎn)生一個二元輸出：該基因開啟（激活）或關(guān)閉（抑制）。

DNA自己編織自己，織出炫麗圖案

“許多邏輯門天然存在于活細胞內(nèi)，細胞利用它們來調(diào)節(jié)正常生物功能，”Laohakunakorn說。“例如，通過構(gòu)建人工們，我們可以將新功能引入細胞用于治療。無細胞系統(tǒng)是朝這個方向邁出的第一步，未來的工作可能包括使用平臺優(yōu)化轉(zhuǎn)錄因子設(shè)計，然后將其直接部署到無細胞應(yīng)用程序中，或者將它們重新導(dǎo)入活細胞中。”