激活基因表达的新工具

马里兰大学(UMD)的研究人员正致力于开发一种能够指导基因表达的电子设备，这一成就有望控制生物系统，并有助于塑造生物传感器的未来，以及可穿戴设备 - 并且可能是可植入的 - 生物混合设备。

该团队由UMD杰出大学教授，该大学Robert E. Fischell生物医学设备研究所所长William Bentley领导，正在使用氧化还原生物分子 - 对所有身体细胞健康至关重要的微小细胞信使 - 携带电子信息到工程细菌细胞。为此，该小组开发了一种正在申请专利的电子设备，该设备使用电极和工程细胞来控制基因从合成基因环路中表达的方式和时间。

“研究人员长期以来一直使用嵌入生物成分的微电子设备，如高通量DNA测序技术来查询生物学，但这类设备有可能做更多 - 甚至可以让科学家控制生物学，”Bentley说。

此前，Bentley团队通过调节位于酶和电极之间的天然氧化还原分子，开发了一种方法，通过开发一种方法将酶加载和控制到微电子芯片上。在此基础上，该团队现在正在调节氧化还原分子，以便将电极驱动的信号与特异性工程化的细胞联系起来，通过激活基因表达来应对。这种方法可以为希望驱动复杂生物行为的科学家打开大门 - 例如通过控制生物膜甚至在微型装置中生产治疗剂。

Bentley以及Fischell生物工程系(BIOE)和UMD生物科学与生物技术研究所(IBBR)教授Gregory Payne以及研究团队已经证明小分子提供了广泛的应用，扩展了合成生物学中先前的电子设备应用分子通信的保留曲目。正如该小组于1月17日星期二在线发表的Nature Communications论文所述，一旦科学家获得测量，破坏或增强这些生物分子信号的能力，他们将能够很好地开发先进技术来研究和操纵生物环境。

“电子产品改变了我们的生活方式，并且越来越多地将设备”连接“到生物学上，例如用于获取生物信息的血糖仪或健身追踪器，”佩恩说。“但是，在另一个方向上传播的电子产品的例子要少得多，以提供指导生物反应的线索。这些能力可以提供应用设备的潜力，以更好地对抗癌症等疾病，或引导炎症反应，促进伤口愈合。“

应用他们的方法，该团队展示了控制基因表达以诱导细菌运动的能力 - 被称为“细菌游泳” - 并构建细胞信息中继，其中一组细菌解释电子信号并将信息传递给另一个小组改变其基因表达。

该团队的电路依赖于大多数生物系统(包括人体)中普遍存在的氧化还原信号传导过程。氧化还原过程涉及保护身体免受氧化损害，例如当人暴露在明亮的阳光下时。

“像我们的身体一样，细菌已经采取了适应方式来逃避氧化损伤，”宾利说。“我们的团队已经设计了细菌细胞来解释氧信号传导过程，我们开发了一种遗传回路，它依赖于相关的分子线索来启动程序化响应。”

为了指导产生指导细胞功能的蛋白质，Bentley和他的团队 - 包括论文的第一作者，IBBR研究员和BIOE校友Tanya Tschirhart(博士'15) - 通过使用绿脓菌素(Pyo)进入这一过程，代谢物和分子信号，具有氧化和还原其他分子以进行基因诱导的能力。为了以这种方式利用Pyo，Bentley的团队正在使用大肠杆菌中的氧化还原反应调节剂来感知和应对氧化应激。这使得团队能够“开启”或“关闭”基因表达，或者特别是表达基因的蛋白质产生。

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