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    利用細胞信令 DNA分子計算為可編程藥丸鋪路

    2018-10-23 09:14:17 來源: 科技日報 作者: 馮衛東

    科技日報紐約10月20日電 (記者馮衛東)美國芝加哥大學研究人員日前開發出一種新方法,可使用強大的DNA分子計算方法來測量分子信號的變化。該方法為研究和,通過模擬分子計算進行時間模式識別奠定了基礎,有望為可編程藥丸等應用鋪路。

    活細胞使用復雜的信令系統來感知環境,并在內部和鄰居間傳遞這一信息。特定信令分子的濃度及其隨時間變化的方式,是進入該系統的關鍵因素。雖然原理上很簡單,但系統往往非常強大和復雜。難以解碼的原因之一是難以發現信令分子并測量其濃度的變化。

    芝加哥大學開發的新技術是生物學家寄予厚望的DNA計算形式的一種,其基于一條單鏈DNA可在雙鏈DNA中取代另一條DNA,可使用完善的工具進行精確控制。

    這些工具可在幾個數量級上精確控制“置換鏈反應”的速率和可逆性。這會產生類似開關的行為——反應是開啟還是關閉,結合不同的開關可使邏輯運算成為可能,這為各種計算任務鋪平了道路。研究人員已經展示了置換鏈反應如何進行復雜計算甚至模仿深度學習網絡的能力。

    芝加哥大學的新研究概述了DNA電路可感知特定信令的存在及其隨時間變化的方式。最重要的是,即使周期、占空比和脈沖數變化很大,信令的總量也可以相同。新設計的分子機器可獨立地測量這些功能。研究人員使用抽象化學反應網絡和模擬DNA鏈置換反應證明了設計原則的成效。

    研究人員認為,這種分子計算機未來可能具有戲劇性的應用,如開發DNA折紙藥丸,其只有在接收到特定的信令模式時才釋放藥物。細胞的炎癥反應及其適應性免疫反應會觸發轉錄因子NFkB的不同信令模式,對藥丸進行編程,可使其僅識別其中之一即可相應地釋放藥物。

    總編輯圈點

    科學家在科研領域越來越“細致入微”。在無機領域,粒子被撞得越來越小,每次新的粒子被發現,都撞開認識世界的新大門。在有機領域,分子得到越來越精確的監測、計算和操控,并逐步應用到生物、醫學、農業等領域,為人類謀福祉。和宏觀宇宙一樣,微觀世界對人類而言仍蘊藏著廣袤無垠的未知。任何認為已經觸到微觀世界盡頭的想法,恐怕最終都會遭到它的嘲笑。

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    責任編輯: 夏青
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