生物学家积极培育“活”电路:生物电路

2014-12-03 08:45:46来源: 互联网

     “基因工程”选殖分子细胞并直接改变其基因,使其得以执行不同于本性最初所预设的功能。最近一种新的研究趋势是利用电路重新设计分子细胞——这些生物电路能以自然发生的方式将细胞连接电路,使其执行新的功能,例如修补因帕金森氏症破坏的多巴胺产生细胞。

    “我们的最终目标是针对复杂的医疗应用,例如在血液中注入电路寻找癌细胞,并在找到癌细胞后注射药物,”美国麻省理工学院(MIT)教授Domitilla Del Vecchio表示,“这种电路需要一个是感测器、电脑以及一个注射药物的致动器元件,而这些就是目前我们正在努力开发的元件。”

    酵母菌(中)就像电子元件般的互连在一起,只不过这些细胞并非透过电线交流,而是经由仅能以适当接受器注入细胞的化学药物进行互动。

    其他可能的应用包括合成生物电路,用于持续为糖尿病患者测量血糖浓度,以及在需要时释放胰岛素。

    相较于设计电路,这种生物电路的设计过程较缓慢且更困难。首先,研究人员并非使用神经进行通讯。相反地,他们利用的是自然生物细胞内的一般通讯方式,透过“产出”分泌一种只对“输入”细胞造成影响的化学药物。

    其次是用来建模所需电路的数学演算法。研究人员无法利用像欧姆定律(Ohm's Law)那样简单的RLC公式,而是必须使用像微分方程式等繁琐的数学。“生物电路是非线性的,因此我们必须使用微分方程来建模,”Del Vecchio说。

    许多疾病似乎都无法透过对症下药的简单方式治愈,因为他们需要的是更复杂的疗程,包括主动式感测、运算与响应。根据MIT的研究人员们表示,最佳方式就是在体内培植可执行这些功能的细胞,而不是采用像以往研究人员们试图透过人工神经网路加以连接的方式。

    “除了神经细胞,生物系统中还有多种类型的电路,例如,控制基因表现的基因电路以及控制生物时钟功能的细胞,例如早上何时起床等,”Del Vecchio说。

    截至目前为止,研究团队在设计电路时主要都以感知用途为主,无论是使用酵母菌或细菌细胞等。“细菌细胞更易于操作,因为细菌没有难以处理的细胞核。”

    最后再加上负载驱动能力,就能够使该团队的创新梦想成真。负载驱动器可为讯号来源与发送讯号之间提供缓冲作用,避免讯号受到延迟影响以及导致不可预测的结果。

    MIT 生物工程学博士候选人Deepak Mishra、机械工程系硕士研究生Phillip Rivera,以及电子工程与电脑科学系研硕士研究生Allen Lin均共同参与了这项研究。Eni-MIT能源研究奖学金、美国国家科学基金会(NSF)、美国陆军研究办公室、美国空军科学研究办公室以及美国国立卫 生研究院共同赞助这项研究。

关键字:生物电路

编辑:chenyy 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/medical_electronics/2014/1203/article_5306.html
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