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由细菌制成的同步基因振荡器诞生

2018-12-03 14:51:01

由细菌制成的同步基因振荡器诞生

本报讯美国加州大学圣迭戈分校的杰夫·海斯第及其同事在近出版的《自然》杂志上发表研究报告指出,他们通过合并群体效应制成了新型细菌振荡器。不过,该振动器不是典型的时钟,它既没有石英机芯,也没有旋转的秒针,它的“心脏”是一群经基因工程改造的菌群。   群体效应是一种分子通信形式,许多细菌利用群体效应来协调它们的活动。振荡器则是生物学世界的一个主要组成部分,可用于定义心跳、脑波及日夜节律的周期。它们还可提供一个重要的电子电路控制机制。   生物学家着手设计生物振荡器是在10年前,他们建立了一个名为“压制振荡子”的电路。带有基因开关的遗传振荡子在2000年的诞生,被认为是合成生物学的开端。然而,早期的振荡器精度不高,节奏下降很快,且频率和振幅也无法控制。   2008年,海斯第及其同事曾创造了一个更强大的振荡器,它可通过适于细菌生长的温度、细菌得到的养分及特殊的化学触发器进行调节。但是,这个振荡器仍受限于个别细胞,无法适时地一起闪烁。   而研制的振荡器包含一个双基因简单电路,由此建立起正、负反馈回路。该电路由一个信令分子激活,从而触发信令分子本身及绿色荧光蛋白分子越来越多地产生。该信令分子在细胞外扩散后即可激活周边细菌的电路。   被激活的电路还可产生一个能分解信令分子的蛋白,给循环提供延时制动。在单个和相邻细胞中的不同电路发生动态相互作用,即可建立起信号分子和荧光蛋白的定期脉冲,并以同步活动波的形式出现。这个看似简单的电路允许微生物与荧光灯的同步脉冲保持合拍,以50分钟到100分钟的节奏缓慢闪烁。瑞士联邦技术学院的生物工程学家马丁·富塞内格尔在论文评注中称,这个壮举类似于让全世界的交通灯步调一致地闪烁。   这些细菌菌落生长在定制的微流体芯片内,该设备使科学家得以精确控制微生物所处的环境条件。改变养分流入芯片的速率就可改变振荡的周期。   对生物医药和生物能源等许多应用来说,对群体细胞的活动进行同步是一个重要的基础条件。例如,细菌可被设计用来检测特定的毒素,荧光的闪烁频率即表示其在环境中的浓度。虽然目前尚需要显微镜才能读取输出结果,但研究人员表示,他们正在开发用裸眼即可观测的版本。   该细菌振荡器也可用于传递药物,其可按一定的时间间隔释放药物以达到的效用。药物的剂量和振荡器的振幅相关,药物的投放时间则由其振荡频率决定。(冯卫东刘霞)

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