近年来，研究人员在生物电路的设计与构建方面取得了长足进展。这类系统如同电子电路，能够接收多种不同输入，并产生特定类型的输出。然而，尽管生物电路的各个独立组件可以作出精确且可预测的响应，随着更多此类元件组合在一起，最终结果就会变得较难预测。
如今，麻省理工学院（MIT）的一组研究人员找到了一种大幅降低这种不可预测性的方法，并推出一种装置，最终有望使这类电路的行为几乎与其电子电路对应物一样可预测。研究结果于本周发表于《自然·生物技术》（Nature Biotechnology），论文作者为机械工程副教授 Domitilla Del Vecchio 和生物工程教授 Ron Weiss。
论文第一作者是麻省理工学院生物工程专业研究生 Deepak Mishra。其他作者包括近期毕业的机械工程硕士 Phillip Rivera，以及电气工程与计算机科学硕士 Allen Lin。
Del Vecchio 和 Weiss 解释说，这类合成生物电路有许多潜在用途。Del Vecchio 说：“我们正在研究的一个具体方向是生物传感——能够检测环境中特定分子并据此产生特定输出的细胞。”例如，细胞可以检测表明癌细胞存在的标志物，然后触发释放靶向杀死这些细胞的分子。
Weiss 说，这类电路必须能够准确区分癌细胞与非癌细胞，以免在错误的位置释放其杀伤能力。为此，由细胞内生物元件构成的稳健信息处理电路变得“至关重要”，Weiss 说。
迄今为止，这种稳健的可预测性尚无法实现，部分原因在于引入多个生物电路阶段时会产生反馈效应。问题在于，与电子电路不同（电子电路中的一个组件通过导线与下一个组件进行物理连接，确保信息始终沿特定方向流动），生物电路由多个组件构成，它们一同漂浮在细胞内部复杂的液体环境中。
信息流由各个组件之间的化学相互作用驱动；理想情况下，这些组件只应影响其他特定组件。但在实际中，创建此类生物连接的尝试往往会产生与预期不同的结果。
Del Vecchio 说：“如果你组装好电路，预期得到答案‘X’，结果却得到答案‘Y’，那可能会造成很大的问题。”
研究团队为解决这一问题而研发的装置称为负载驱动器，其作用类似于电子电路中使用的负载驱动器：它在信号与输出之间提供一种缓冲，防止信号的影响沿系统反向传递并导致输出延迟。
研究人员表示，这项研究目前仍处于相对早期阶段，可能需要数年才能实现商业应用，但这一概念可能有广泛的用途。例如，它有望促成合成生物电路，持续测量糖尿病患者的血糖水平，并在需要时自动触发胰岛素释放。
Del Vecchio 说，将这一负载驱动器加入生物电路设计人员可用的组件库，“可能会提升你所能设计的电路的复杂程度”，从而开辟新的潜在应用，同时确保电路运行“稳健且可预测”。
波士顿大学生物医学工程教授 James Collins（未参与这项研究）说：“合成生物学旨在构建复杂基因电路的努力，常常受到电路子模块之间意料之外或尚未表征的相互作用的阻碍。这些相互作用会改变子模块的输入—输出特性，导致电路行为不理想。”
不过，Collins 说：“Del Vecchio 和 Weiss 创造了一种能够考虑并纠正此类相互作用的遗传装置，为这一领域带来了重大进展，从而使电路行为更可预测。”
与……合作发表： 麻省理工学院新闻
作者：David L. Chandler 为麻省理工学院新闻撰稿
图片：2013年10月4日，密西西比州杰克逊市的密西西比大学医学中心创伤中心内，一名护士摆姿势拍照。路透社/Jonathan Bachman
