Cello实现基因电路自动化设计

自动化基因电路设计

合成生物学

合成生物学旨在采用工程学的理性设计原则，用于对生物体进行改造和操控。这一策略已经实现了日益复杂的基因电路和重连通路的构建，但这些电路的人工构建往往是一项耗时任务，且需要繁琐的优化。类似地，在电子学中，集成电路设计最初也是一项人工任务，直到电子设计自动化和硬件描述编程语言出现后才得以改变。

在此，Alec Nielsen et al. 提出了 Cello（细胞逻辑的缩写），这是一种基于软件的设计环境，借鉴了这些工程学原理，以实现基因电路的自动化生成。

Cello设计环境

Cello设计环境基于硬件无关的描述性语言Verilog和一个“用户约束文件”，该文件指定了逻辑门的DNA序列、质粒或基因组中的物理位置、生物体、有效操作条件、架构限制以及优选模体。用户选择一个约束文件并用Verilog编写程序，随后Cello将据此设计遗传电路图，根据约束文件施加的限制，并确保门电路的输出和输入阈值兼容。线性DNA序列源自符合Eugene规范语言中这些约束条件的一组元件。

Cello随后模拟电路的功能，提供性能分析以及对细胞生长的影响。对于预测会给细胞生长带来不可接受的负担的电路，系统会向用户发出标记提示。

该团队最初使用Tet阻遏物序列构建了基本的非门，并通过优化（包括使用强绝缘序列以使门电路与其基因组背景隔离），建立了一个无需设计后调优即可实现100%成功率的门库。在此基础上，他们设计了更复杂的门电路，以实现输入优先级排序和一个输出的多个输入处理。共设计了52个电路，且在无需进一步优化的情况下，37个按预期工作。这52个电路总共包含412种可能输出，其中92%符合预期。最大的电路是“共识”电路（要求三个输入一致），包含10种调控蛋白和55种独特基因元件。
总体而言，Cello利用成熟的半导体电路工程原理，实现了遗传电路设计的自动化，而此前这一过程依赖于试错分析和测试来确定组件间的相互作用和功能。这种方法有望比目前的技术更快速地设计、构建和进行复杂遗传电路的故障排除。

“要发挥生物学的潜力，就必须能够控制基因在何时以及何种条件下被激活，”Cello项目的首席负责人克里斯托弗·沃伊特解释道。“目前，在代谢工程中，只能产生单一的化学产物，并且通路中的基因始终处于开启状态。通过控制基因的激活时机，我们就能获得生物学所能提供的更多复杂产物，从细胞协同构建结构的先进功能材料，到可编程感知人体问题并执行治疗功能的治疗剂。”