合成生物電路時(shí),往往需要進(jìn)行大量計(jì)算才能確定生物電路中的化學(xué)反應(yīng)。簡(jiǎn)單來說,如果想要合成有應(yīng)用價(jià)值的生物電路,必須具備專業(yè)的化學(xué)知識(shí)。
現(xiàn)在,巴西聯(lián)邦南馬托格羅索州大學(xué)(Federal University of South Mato Grosso)計(jì)算學(xué)院兼職教授 Renan Marks 改進(jìn)了一款可以設(shè)計(jì)生物電路(Biological circuits)的軟件程序,即便沒有化學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備的人也能利用該軟件,輕松設(shè)計(jì)出生物電路。
這項(xiàng)研究論文發(fā)表已于近日發(fā)表在《IEEE 設(shè)計(jì)與測(cè)試》上,論文詳細(xì)闡述了這款合成生物電路軟件的研究進(jìn)展。
生物電路的化學(xué)反應(yīng),指的是在電路設(shè)計(jì)過程中 DNA 鏈的合成和斷裂。具體來說,就是研究人員設(shè)計(jì)的合成 DNA 鏈,以恰當(dāng)濃度在試管內(nèi)進(jìn)行混合,然后形成模擬電路,當(dāng)分子鏈接形成和打破的時(shí)候,進(jìn)行加、減、乘運(yùn)算,然后將其轉(zhuǎn)換為可以在 DNA 鏈中合成的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。
Marks 的團(tuán)隊(duì)此前開發(fā)了一款名為 DNAr 的軟件程序,用戶可以用其模擬各種化學(xué)反應(yīng)、設(shè)計(jì)新生物電路。在這項(xiàng)研究中,研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該軟件進(jìn)行了改進(jìn),他們?yōu)?DNAr 開發(fā)了一個(gè)擴(kuò)展程序 ——DNAr-Logic,利用這款擴(kuò)展程序科學(xué)家可以設(shè)計(jì)更高級(jí)、更復(fù)雜的生物電路。
具體來說,科學(xué)家只需描述想設(shè)計(jì)的生物電路,輸入 DNAr-Logic,就能自動(dòng)轉(zhuǎn)化為可以在 DNA 鏈中合成的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。
為了證明新軟件的有效性,Marks 的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列的測(cè)試。Marks 說:“結(jié)果表明,DNAr-Logic 能夠設(shè)計(jì)多種類型的生物電路,產(chǎn)生多達(dá) 600 多種化學(xué)反應(yīng)??傊珼NAr-Logic 可以滿足設(shè)計(jì)、模擬和測(cè)試生物電路等需求?!?/p>
在 DNAr-Logic 的幫助下,科學(xué)家在設(shè)計(jì)生物電路時(shí),可以把更多的精力放在對(duì)生物電路的優(yōu)化上,而不是擔(dān)心化學(xué)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的計(jì)算和細(xì)節(jié)。
“不懂化學(xué)知識(shí)的科學(xué)家也可以使用 DNAr-Logic 設(shè)計(jì)和模擬生物電路 ,同時(shí)也不需要手寫數(shù)百個(gè)反應(yīng)和微分方程來模擬生物電路的動(dòng)態(tài)行為。這款軟件可以幫科學(xué)家‘減負(fù)’,讓他們可以從大量復(fù)雜的化學(xué)計(jì)算中脫身出來”,Marks 這樣描述新擴(kuò)展程序的優(yōu)勢(shì)。
不過,在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中,想要完全依賴 DNAr-Logic 設(shè)計(jì)生物電路,還面臨著一些問題。
例如, 由松散的 DNA 鏈組成的生物電路可能會(huì)發(fā)生 “泄漏反應(yīng)”(leak reactions),這是指某些 DNA 鏈可能會(huì)與溶液中的其他 DNA 鏈發(fā)生反應(yīng),從而導(dǎo)致錯(cuò)誤 “計(jì)算”。
對(duì)此,Marks 表示:“雖然諸如‘泄漏反應(yīng)’之類的問題仍然需要解決,但是合成生物電路有巨大潛力,這個(gè)新的研究領(lǐng)域開辟了無限的可能性。我們計(jì)劃以 DNAr 為框架,對(duì)軟件進(jìn)行新的擴(kuò)展,以協(xié)助研究和開發(fā)基于算法的新生物電路,這些算法可以幫助醫(yī)護(hù)人員更快地診斷疾病,以及更有效地治療疾病?!?/p>
盡管基于合成生物學(xué)的生物電路技術(shù)還處于早期階段,但其具有廣泛而重要的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。生物電路技術(shù)可以用于診斷癌癥、檢測(cè)內(nèi)部損傷,如創(chuàng)傷性腦損傷、失血性休克等。
生物電路技術(shù)還可以于藥物遞送,如生物電路技術(shù)修飾過的細(xì)胞,可以精確、定量地靶向病灶。
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原文標(biāo)題:替代復(fù)雜化學(xué)運(yùn)算,這款新軟件程序欲為生物電路設(shè)計(jì)科學(xué)家「減負(fù)」
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