设计没有活细胞的细胞功能

活细胞中的基因被称为转录因子的蛋白质激活或失活。这些蛋白质激活一些基因和失活其他基因的机制在许多生物过程中起着重要作用。然而，这些机制如此复杂，以至于科学家们花费了数年时间试图解开它们的秘密。

科学家通常通过将特定的DNA序列引入细胞并观察细胞如何反应来研究基因表达。但是这种劳动密集型的方法是复杂的，并且可能因实验而异。作为向前迈出的重要一步，由Sebastian Maerkl领导的EPFL生物网络表征实验室(LBNC)的科学家开发了一种定量和可重复的方法，用于研究甚至预测基因表达。它使用无细胞系统结合高通量微流控设备。他们的工作使他们能够建立一个合成的生物逻辑门，有一天可以用来修改细胞功能。这项研究已经在PNAS发表。

微通道和无细胞过程

该研究的共同作者Nadanai Laohakunakorn解释了该方法的工作原理：“首先，我们从细胞内部提取物质。这种“无细胞”系统由细胞用来执行正常生物过程的酶和化学物质组成。我们可以通过以高能磷酸盐和DNA的形式向提取物提供燃料和信息来重启胞外基因表达。因为这个过程与活细胞中发生的事情非常相似，所以我们可以使用我们的平台来调查一系列生物现象，而不必每次都修改活细胞。”

为了对基因表达进行定量研究，科学家们在微流控芯片上检查了数千种无细胞反应，即用于操纵微量液体的设备。“我们能够测试几种不同的场景，并构建一个合成转录因子的定量库，这使我们能够预测特定蛋白质对基因的影响，”该研究的另一位合著者佐伊斯万克说。"我们的方法可以扩展到构建相当复杂的系统."

这位科学家的方法有几个优点。首先，无细胞系统可以模拟细胞内系统，但更简单，其机制可以用数学建模。这意味着它们可以通过将更复杂的生物现象分解成更简单的部分来帮助理解它们。

第二，无细胞系统在冷冻(甚至冷冻干燥)后是健壮和稳定的，这使得它们可用于从低成本诊断到按需生产生物制剂(如疫苗)的个性化医疗的大规模生产和部署。第三，因为它们不存在，无细胞系统可以用来生产超出传统生物制造方法范围的化合物。并且它们不会在实验室环境之外引起自我复制或生物污染的风险。

生物逻辑门

作为他们研究的一部分，研究人员从他们的文库中收集了许多基因来构建生物逻辑门。在电子学中，逻辑门接收电信号的输入，执行计算，并产生二进制输出：1或0。同样，科学家的生物逻辑门接受转录因子的输入，产生二进制输出：基因处于in(激活)或off(抑制)。

“活细胞中有许多天然的逻辑门，用于调节正常的生物功能，”Laohakunakorn说。“通过构建人造门，我们获得了为治疗目的向细胞引入新功能的能力，例如。无细胞系统是这个方向的第一步，未来的工作可能涉及使用以下方法来优化转录因子的设计。平台，将它们直接部署在无细胞应用中，或者重新引入活细胞中。”

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