組合型人工基因線路

利用基本型人工基因線路作為基礎器件，可以搭建出復雜的組合型人工基因線路，用于模擬高級的生命過程。2014?年，北京大學歐陽頎課題組設計出了一種具有巴甫洛夫經典條件反射行為的人工基因線路，在大腸桿菌中重現了高等生物的神經網絡的學習功能。該基因線路由?2?個邏輯“與門”、2?個邏輯“或門”和?1?個記憶模塊組成，能夠接收?1?個不引起輸出響應的外界信號分子?A?和?1?個可引發輸出響應的環境信號?B。此?2?種信號組合的多次共刺激能使大腸桿菌的記憶狀態發生改變，最終使信號?A?能夠單獨引起輸出響應（圖?2a）。2012?年，麻省理工學院的?Voigt?課題組把?3?個二進制邏輯“與門”組裝為?1?個巨大的四進制邏輯“與門”，實現了能夠同時感知?4?種不同環境信號的人工基因網絡（圖?2b）。以上兩項工作外，還由很多有用的組合型人工基因線路，如加法器、邊界識別器、多輸入的邏輯線路等。

為了實現更高級的控制功能，人工基因線路勢必變得越來越復雜，隨之而來的是設計難度的迅速提升。電子線路設計領域在?20?世紀遇到過類似的問題，其解決方法是基于計算機程序的自動化線路設計和模擬。因此，在?2016?年，Voigt?課題組開發出了一種能用于自動設計組合型復雜人工基因線路的計算機程序“Cello”（意為?“cellular logic”），能根據用戶需求自動化地給出可執行布爾邏輯運算的基因線路設計，實現類似于電子工程領域電路設計軟件的功能。該程序整合了大量轉錄調控元件的表征數據，生物元件組裝的經驗，已知元件的生物學限制條件，以及邏輯線路的自動編譯工具等。用戶選擇輸入信號、輸出信號、宿主細胞等信息后，程序會從標準化生物元件的表征數據庫中挑選合適元件，從動力學區間、生物毒性等問題出發進行模擬和優化，輸出線路的?DNA?序列和定量預測結果。最終，研究人員可以直接將?DNA?序列合成、裝載到宿主細胞中執行功能。該程序能夠大幅提高對人工基因線路的設計效率。

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