A Bioengineer’s Guide to Design

加州理工学院的一组研究人员开发了一套使用机械和电子工程工具设计生物电路的指南。就像由细胞和活物质构成的电路一样,生物电路在制药和生物燃料的生产上显示出前景。

例如,抗疟化合物青蒿素是由一种昂贵的热带植物生产的,因此加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的科学家们把这种植物的新陈代谢改造成酵母细胞,以便在不使用植物或土壤的情况下合成青蒿素。然而,预测这些电路行为的能力——在纸上设计它们,然后成功地实现设计——仍然是初级的。

这项新工作中描述的生物工程设计原则可以使构建细胞系统更加有效和可预测。

"We想这样说吧:如果你是设计一架飞机,你是不会# x27; t首先制作1000个不同的飞机和发射都看哪些飞向天空,"说作者诺亚Olsman(博士& # x27; 19),前加州理工学院的研究生现在是哈佛大学博士后学者。相反,你应该从学习对飞行很重要的数学和物理开始。同样,设计生物电路的过程也可以从一些定量的指导原则中获益

生物系统不断地测量它们所处的环境,并适应环境来维持体内平衡——一种平衡、稳定的状态。我们的眼睛对光线和黑暗做出反应,我们的身体保持着大致相同的内部温度,不管我们是在灼热的高温还是冰冷的暴风雪中。即使是作为生命基本单位的单细胞,也面临着千变万化的环境,为了生存而进行着精确的测量和调整。衡量外部世界并在内部做出相应改变的过程称为反馈。

反馈是工程中常用的研究方法。设计的反馈系统的一个例子是汽车的巡航控制模式——汽车测量它的速度,并相应地改变加速度或减速,再测量速度,做出任何需要的改变,等等。此外,室内恒温器的设计目的是利用反馈,测量外部温度,然后根据需要加热或冷却。

理想情况下,一个系统将迅速达到理想的状态,并对大大小小的扰动具有鲁棒性。但在设计系统时,工程师往往不能拥有全部。例如,使摩托车比汽车更有效率和可操作性的特性也使它更容易撞车。工程学的一个分支控制理论从数学上描述了这些性能权衡。

现在,在两篇新的研究论文中,Olsman和他的同事们用控制理论来阐述构建生物系统的设计原则。

生物学中的一个主要问题是:我们能像理解电路或机械装置那样理解生物系统吗?我们能理解细胞是如何将分子成分组合在一起形成生命的吗?我们能自己设计生命吗?" Olsman说。就像对数字电路的了解导致笔记本电脑的工程,对蜂窝网络的了解将使我们能够自己建造生物系统

Olsman和他的同事们研究了一个简单的细菌反馈模型,这个模型是由加州理工学院的另一个团队利用大肠杆菌开发的。在这些细菌的菌落中,每个细菌都会释放小分子,以便相互发送信号。这些细菌被设计成在释放这些信号分子的同时产生一种毒素。细菌数量越多,毒素浓度越高。当毒素浓度足够高时,一些细菌开始死亡,从而降低毒素浓度。这个反馈系统调节细菌种群的增长。

研究人员对这个系统进行了描述,以便对生物反馈进行数学描述。

"电池是精密的机器,但飞机和卫星也是。正确的数学思维可以揭示支配复杂世界的简单原则," Olsman说。

一篇描述该研究的论文发表在《细胞系统》(Cell Systems)杂志上,题为《一类对偶积分反馈网络中的硬限制和性能权衡》("Hard Limits and Performance权衡)。"除Olsman外,其他合著者还有前加州理工学院研究生Ania-Ariadna Baetica(18岁博士),现就职于加州大学旧金山分校;研究生肖方洲;前研究生梁凤鹏(博士’18);理查德默里(BS ‘ 85),托马斯E.和多丽丝埃弗哈特控制和动力系统和生物工程教授;John Doyle, Jean-Lou Chameau,控制和动力系统,电气工程和生物工程的教授。

第二篇描述这项工作的论文发表在《iScience》杂志上,题目是"架构原则,用来描述对抗性整体反馈网络的性能。"除Olsman外,肖方舟和约翰·道尔是合著者。

资金由美国国防高级研究计划局(DARPA)提供。

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