セルに計算をさせるにはどうすればよいでしょうか?国内4大学がバイオコンピューティングコンポーネントの新たな設計手法を提案し、Cell誌に掲載された

編集者 | 大根の皮

著者 | 論文チーム

細胞はコンピューターのようなもので、環境からさまざまな情報を毎秒受信し、分析し、処理します。誘導経路を処理し、事前に定義された方法で「記憶装置」(つまり DNA) から情報 (遺伝子発現) を読み取るか、または指示 (DNA 修飾と編集) を書き込み、それ自体または周囲の細胞が環境情報に応答するように誘導します。 。

長い間、生物自体の計算能力を効果的に利用し、人間が与えた計算タスクを実行するように生物を変換し、それによって生物システムに基づいた新しいコンセプトのコンピューターを開発する方法は、コンピューター科学と生物学のすべての側面です。技術分野の横断的な統合。

最近、国立国防理工大学、西湖大学、浙江大学、志江研究所の研究者らが共同で、多層遺伝子発現制御ネットワークと構築を通じて細胞内の組み合わせ論理回路の効率的な設計を実現するTriLoSと呼ばれる設計手法を提案した。これにより、モジュール方式で組み合わせ論理演算を実行する生物学的コンピューティング コンポーネントの開発が可能になります。

「工学的トライステートロジックによる多層計算遺伝子ネットワーク」と題されたこの研究は、2024年7月31日に雑誌「Cell」にオンライン掲載されました。

紙のリンク:https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(24)00716-5

セル自体から学び、セルの論理単位を設計します

細胞内 単一遺伝子の発現は、活性 (つまり、発現している) または不活性 (つまり、発現していない) の 2 つの状態のいずれかにあると理解でき、これにより「オン/オフ」または「0」を抽象化することができます。 /1」は遺伝子発現から。の概念。

この観点から、セルは組み合わせ論理と順序論理で構成されるデジタル回路として理解できます。この回路を設計および変換するための基本は、当然のことながら、セルに適した「トランジスタ」と「論理ゲート」を作成することです。

今世紀初頭以来、合成生物学者は、遺伝子発現を制御する人工遺伝子回路を設計することにより、論理計算機能を備えた生物学的コンポーネントの開発を試みてきました。

しかし、理論的なシステムガイダンスの欠如、細胞遺伝子制御自体の複雑さ、利用可能な遺伝子制御方法の不十分さにより、既存のコンポーネント設計は依然として設計者の経験と試行錯誤に大きく依存しており、この技術が大幅に制限されています。 . 分野の発展。

この研究は、細胞内遺伝子発現制御の階層構造を分析することにより、細胞内遺伝子発現が転写や翻訳などのさまざまなレベルで制御されていることを発見しました。この制御プロセスの基本単位は、3状態に似た構造に抽象化できます。電子回路のゲート。

例えば、DNAが転写されて最終タンパク質に翻訳される過程において、転写制御(B)は翻訳制御(A)の上流制御経路とみなすことができます。転写制御のオンまたはオフにより、翻訳制御システムは最終的に 0 (オフ)、1 (オン)、または Z (高耐性状態、つまり、翻訳システム関連の制御要素は転写を受けない) の 3 つの状態を生成します。 ）。研究者らは、このような 3 状態ゲート構造を、多層の 3 状態ゲート ユニットのアセンブリを通じて、次のようなさまざまなレベルの制御を構築するための基本的な論理ユニットとして使用できることに気づきました。細胞内 DNA の編集、転写、翻訳を行うことができ、このプロセスを最大限に活用して、より複雑で堅牢な組み合わせロジック デバイスを構築できます (図 1)。

図 1: TriLos 設計法の図。

この考えに基づいて、研究者らは、転写と翻訳のプロセスを利用して、哺乳類細胞で「スリーステートゲート」遺伝子回路を実現しようと試み始めました。

バニリン酸によって調節される転写調節スイッチ (VA、入力 B) を「上流」遺伝子スイッチとして使用し、グラゾプレビルによって調節されるタンパク質翻訳スイッチ (Gra、入力 A) を制御することで、研究者らは BUFIF1、NOTIF1、BUFIF0 の構築に成功しました。 NOTIF0 4 つの基本的な論理ユニットであり、セル内で良好なパフォーマンスが実証されています (図 2)。

図 2: TriLoS の標準ロジックユニット。

従来の論理遺伝子回路設計方法と比較して、「トライステートゲート」に基づく論理ユニットの設計方法は、より強力なモジュール性と優れたスケーラビリティを示します。たとえば、合成生物学を常に悩ませてきた問題に対して、科学者の排他的論理和を使用します。ロジック (XOR) を使用すると、研究者は NOTIF1 と BUFIF0 を組み合わせるだけで効率的に実装できます (図 3)。

This idea named TriLoS significantly improves the "editable space" of mammalian cells, laying a solid foundation for more efficient design of biological computing components and breaking through the limits of cell computing.

Figure 3: Constructing a simple combinational logic circuit based on TriLoS.

Design and assemble biocomputing components based on standard logic units

Based on the construction of standard logic units, this research further clarifies the engineering principles of using standard logic units to build complex combinational logic devices.

Different from the strict insulation between different electronic circuits in electronic circuit design, there are various complex interactions and various insulation problems in the regulatory process within the cell. It is necessary to clarify the correct relationship between the logical units. Intersectionality constraints are a special feature of designing biological computing components.

In response to this problem, this study conducted a detailed discussion on the orthogonality constraints in the design process of multi-layer genetic computing networks from the two perspectives of expanding the number of output signals and expanding the number of input signals.

In terms of expanding the number of output signals, researchers analyzed and proposed that multi-layer gene regulatory networks that control different output signals must select mutually orthogonal/insulated bottom-level regulatory elements, while higher-level regulatory processes can share regulatory elements.

To satisfy this constraint, the researchers designed another set of completely orthogonal Grazoprevir regulatory switches. This design integrates the dimeric or mutually exclusive gene elements NS3a(H1)/GNCR1 (dimeric) or ANR/GNCR1 (mutually exclusive) induced by Grazoprevir into the synthetic GEMS gene regulatory framework. The presence of Gra will cause the extramembrane signal-receiving parts of the receptors to be mutually compatible or repellent, thereby controlling the on or off of the exogenous gene switch through the intracellular JAK/STAT3 signaling pathway.

The data shows that combining this switch with the transcriptional control switch regulated by Vanillic acid can also build a basic logic unit that operates stably in cells, and a half-adder and half-subtractor with two outputs can be designed and constructed through TriLoS logic device (Figure 4).

Figure 4: Implementing half adder and half subtractor in cells based on TriLoS.

In terms of expanding the number of input signals, researchers have turned their attention to gene expression regulation upstream of transcriptional regulation, and have proposed methods to use input signals orthogonal to downstream signals to regulate gene editing and chromatin accessibility. The number of input signals.

To demonstrate the feasibility of this idea, the researchers used Cre recombinase, which controls the gene recombination process, as the third input to construct a gene regulation network with a three-layer regulatory structure of gene sequence regulation, transcription regulation and translation regulation, which is convenient Full adder and full subtractor with 3 inputs and 2 outputs are implemented on the ground (Figure 5).

This result successfully breaks through the "ceiling" of logic gene circuit design in the construction of single-cell full adder and full subtractor, further demonstrating the efficiency and effectiveness of TriLoS in the process of building complex logic computing networks.

Figure 5: Implementing full adder and full subtractor in cells based on TriLoS.

Explore the infinite possibilities of biocomputing

Since the concept of biocomputing was proposed, scientists have been committed to finding application scenarios that demonstrate the advantages of biocomputing systems. "What is the use of biocomputing?" It is worth thinking about.

In this study, researchers gave their own answer to this question, which is to use cell computing to develop "smart cells" that integrate diagnosis and treatment in scenarios such as precise disease treatment, so that they can independently determine the cause of the disease. The disease type can be used to guide the production of appropriate therapeutic proteins and more accurately achieve staged, hierarchical and customized treatment of the disease.

This study shows a potential biocomputing application scenario using diabetes as an example. For the sake of simplicity, the researchers artificially divided diabetes into three states/types: obesity, type 2 diabetes, and type 1 diabetes based on their severity and pathogenesis, and formulated two treatment drugs based on the characteristics of each type: pancreatic cancer. Glucagon-like peptide 1 (GLP-1) or insulin (INS) treatment options.

With the help of TriLoS, researchers have developed "smart cells" that can give different combinations of therapeutic drugs for different inputs. They can adjust the production of therapeutic drugs according to the disease state without replacing the implanted cells, and can achieve this in cells and mice. Adaptive precision treatment of diseases (Figure 6).

Figure 6: Utilizing smart cells with computational capabilities for diabetes treatment in animal models.

This study proposes for the first time a multi-layer cellular computing network design strategy (TriLoS) based on genetic circuit "tri-state gates" as the basic logic unit, which provides a basic theory for the design of more complex cellular computing devices and solves the problem to a certain extent. In existing research, design patterns that can only be designed blindly and through trial and error through experience have also laid a solid foundation for the development of automated design tools.

This research was completed by the National University of Defense Technology in cooperation with West Lake University, Zhejiang University, and Zhijiang Laboratory. Among them, researcher Shao Jiawei of Zhejiang University, assistant researcher Qiu Xinyuan of the National University of Defense Technology, and doctoral candidate of West Lake University/former engineering specialist of Zhijiang Laboratory Li Hangwei The co-first authors of the paper; researcher Shao Jiawei of Zhejiang University, professor Zhu Lingyun of the National University of Defense Technology, research expert Wang Hui of Zhijiang Laboratory, and researcher Xie Mingqi of West Lake University are the co-corresponding authors.

Note: Cover generated by Midjourney.

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