对细胞进行编程: 这并不是愚人节的笑话

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导言

说起编程，人们都会想到码农们的一串代码，编译成一个程序，在电脑上实现特定的功能。但是，大家有没有想到过，我们的细胞，也可以对其使用代码来编程呢？

麻省理工学院的生物学工程师们就提供这样一种途径。他们设计了一种编程语言，可以快速设计复杂的DNA编码的电路，给细胞添加新功能。

原理

使用这种语言可以生成DNA序列。任何人都可以写一个程序，进行例如侦测和对特定的环境作出反应。

麻省理工学院生物工程系的教授Christopher Voigt的描述如下：

“这简直就是一种给细菌编程的语言，你使用一个基于文字的语言，就像你给电脑编程一样。然后你使用那些文字，编译他们，转化成一个可以放进细胞DNA序列，电路就在细胞内运行起来了。”

这个语言基于Verilog，这个语言普遍用来对电脑芯片进行编程。为了实现对于细胞进行编程，研究人员设计了计算单元，例如逻辑门和传感器，可以以细菌细胞的DNA形式进行编码。

传感器可以检测到不同的外部信息，例如氧气和葡萄糖，光，温度，酸度，和其他环境条件。用户也可以添加他们自己的传感器。这使得设计变得更加的客制化。

研究人员计划将他们的设计接口在网络上公布。

面临的挑战

最大的挑战时设计14个在电路中使用的逻辑门，在复杂的活细胞环境中，他们就不会相互干扰。

语言的优势

• 无需经验

  过去15年来，生物学家和工程师设计了许多基因部件，例如传感器，存储开关和生物钟，可以结合起来改变现有的细胞功能，以及添加新功能。然而，设计每个电路是一个艰苦的过程，需要很专业的知识，经历很多尝试和失败。一般的语言，都需要你了解这些部件如何工作，将他们结合到一起。而这种新编程语言的使用者，不需要特别的基因工程的知识。你可以完全不了解任何工作原理。这就是这个语言不一样的地方。你即使是一个高中生，也可以去网站上进行编程，然后它将会变成DNA序列。

• 速度快

  这项技术的另外一个优点就是速度。目前为止，Voigt说法是，你只需要点一下按钮，就会得到想要测试的DNA序列。

应用

目前的编程语言版本中，通常用来优化大肠杆菌，但是研究人员正在将这个语言扩展使用到其他菌株，例如存在于人类的肠道拟杆菌属，和假单胞菌生活在植物根部，以及酵母酿酒酵母。这些只需要用户写当个程序，然后为了不同的生物体编译，来为他们每个获取正确的DNA序列。

研究人员使用这个编程语言，设计了60个具有不同功能的电路，并且其中45个在测试下，第一次就能工作正确。许多电路被设计用来测量一个或者更多的环境条件，例如氧气级别或者葡萄糖浓度，并且作出相应反应。

其他的电路被设计用来记录三个不同的输入，并且根据优先级对于每一个做出反应。其中一个新的电路，是目前为止构建的最大生物电路，包括几个逻辑门和差不多12000对DNA。这些都需要很多的技术投入和精巧的设计。

Voigt和波士顿大学和国家标准与技术研究院的同事，使用了这种语言，他们在4月1日的科学杂志上描述了，并且创建了电路可以检测多达3个输入，并且做出不同的反应。

这种编程的未来应用包括设计细菌细胞，当发现肿瘤的时候，可以产生治疗癌症的药物，或者如果有很多有毒的副产品产生的话，产生酵母菌细胞，来停止他们自己的发酵过程。

研究人员介绍

研究的领导作者是麻省理工学院的毕业生

Alec Nielsen。

其他的作者有前麻省理工学院博士后

Bryan Der，

麻省理工学院博士后

Jonghyeon Shin，

波士顿大学的毕业生

Prashant Vaidyanathan，

波士顿大学的助理教授

Douglas Densmore，

国家标准技术局的研究人员

Vanya Paralanov,

Elizabeth Strychalski,

David Ross。

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