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工程师发明编程语言来构建合成DNA

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类似于使用Python或Java为计算机编写代码,化学家很快就可以使用一组结构化的指令来“编程”DNA分子如何在试管或细胞中相互作用。

华盛顿大学领导的一个研究小组已经开发了一种化学编程语言,希望能够简化设计一个可以像嵌入式电子控制器引导汽车一样引导化学反应混合物行为的网络,机器人和其他设备。在医学上,这样的网络可以在细胞水平上作为“智能”药物传送者或疾病检测器。

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一位艺术家的绘画在屏幕上显示DNA结构和化学反应“程序”。 “化学计算机”执行分子程序。

这个发现在本周(9月29日)发表在Nature Nanotechnology上。

化学家和教育工作者教授和使用化学反应网络,这是一种百年历史的方程式语言,描述化学物质混合物的行为。 UW工程师将这种语言更进一步,并用它编写指导定制分子运动的程序。相关作者,大学电子工程与计算机科学与工程系助理教授Georg Seelig说:“我们从一个化学系统的抽象的数学描述开始,然后用DNA构建实现所需动力学的分子。 。 “目标是,最终,您可以使用这种技术来构建通用工具。”目前,当生物学家或化学家制造某种类型的分子网络时,工程过程复杂,繁琐且难以重新构建其他系统。 UW工程师想要创建一个给科学家更多灵活性的框架。 Seelig将这种新方法比作一种告诉计算机做什么的编程语言。 “我认为这很有吸引力,因为它可以让你解决多个问题,”Seelig说。 “如果你想要一台电脑做别的事情,你只需要重新编程。这个项目是非常相似的,我们可以告诉化学该怎么做。“

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一个化学方案的例子。这里,A,B和C是不同的化学物质。

人类和其他生物体已经具有复杂的纳米尺寸分子网络,有助于调节细胞并保持身体正常。科学家现在正在设法设计合成系统,其行为类似于生物学系统,希望合成分子能够支持人体的自然功能。为此,需要一个系统来创建根据其特定功能而变化的合成DNA分子。

新的方法还没有准备好应用于医疗领域,但未来的用途可能包括使用这个框架,使分子在细胞内自组装,并作为“智能”传感器。这些可以嵌入细胞,然后编程检测异常并根据需要进行响应,也许通过将药物直接递送到那些细胞。

Seelig和同事Eric Klavins,UW电气工程副教授,最近从国家科学基金会收到200万美元,作为推动分子编程研究的国家倡议的一部分。 Seelig说,新语言将被用来支持这一更大的举措。论文的共同作者是大学电气工程博士生陈元月;加利福尼亚大学旧金山分校的David Soloveichik;加州理工学院的Niranjan Srinivas;和微软研究院的Neil Dalchau,Andrew Phillips和Luca Cardelli。

该研究由国家科学基金会,Burroughs Wellcome基金和国家系统生物学中心资助。

 

来源:华盛顿大学

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