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利用细胞信令DNA分子计算为可编程药丸铺路

2018-10-21 02:35

美国芝加哥大学研究人员日前开发出一种新方法,可使用强大的分子计算方法来测量分子信号的变化。该方法为研究和利用细胞信令,通过模拟分子计算进行时间模式识别奠定了基础。

活细胞使用复杂的信令系统来感知环境,并在内部和邻居间传递这一信息。特定信令分子的浓度及其随时间变化的方式,是进入该系统的关键因素。虽然原理上很简单,但系统往往非常强大和复杂。难以解码的原因之一是难以发现信令分子并测量其浓度的变化。

芝加哥大学开发的新技术是生物学家寄予厚望的DNA计算形式的一种,其基于一条单链DNA可在双链DNA中取代另一条DNA,可使用完善的工具进行精确控制。

这些工具可在几个数量级上精确控制“置换链反应”的速率和可逆性。这会产生类似开关的行为——反应是开启还是关闭,结合不同的开关可使逻辑运算成为可能,这为各种计算任务铺平了道路。研究人员已经展示了置换链反应如何进行复杂计算甚至模仿深度学习网络的能力。

芝加哥大学的新研究概述了DNA电路可感知特定信令的存在及其随时间变化的方式。最重要的是,即使周期、占空比和脉冲数变化很大,信令的总量也可以相同。新设计的分子机器可独立地测量这些功能。研究人员使用抽象化学反应网络和模拟DNA链置换反应证明了设计原则的成效。

研究人员认为,这种分子计算机未来可能具有戏剧性的应用,如开发DNA折纸药丸,其只有在接收到特定的信令模式时才释放药物。细胞的炎症反应及其适应性免疫反应会触发转录因子NFkB的不同信令模式,对药丸进行编程,可使其仅识别其中之一即可相应地释放药物。




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