分类
加州大学圣芭芭拉分校新闻

Pseudolife

对于加州大学圣巴巴拉分校的材料科学家Omar Saleh和合成生物学家Enoch Yeung来说,没有什么机器或材料比活组织更能激发灵感和创新,没有什么过程比生命更令人着迷。

Saleh说:“从生物学角度来说,在细胞核中发生的最重要的事情是基因,基因被阅读并转化为蛋白质,通过阅读这些基因,你可以获得生物的所有功能。”

的确,我们所做的一切都是我们细胞内大量微小而复杂的过程的结果:基因转录、感知、信号传递,甚至是执行其功能的结构变化。这些过程中的每一个都会影响许多其他过程,并受到许多其他过程的影响;由此产生的互让意味着不同的过程就像一个反馈系统。

正是这个反馈系统——经过数百万年的进化磨合,负责我们所有精细的生物过程——引起了Saleh和Yeung的兴趣。,3年,100万美元奖高家俊凯克基金会,他们和他们的团队不仅可以研究这些细胞过程的一些基本方面,而且开发合成系统,利用遗传反馈创造戏剧性结构输出——形状变化,甚至运动阶段转换。

他说:“我们显然非常兴奋。研究人员的项目是如此的新颖和创新,如此的非主流,以至于从传统来源获得的支持比通常的挑战更大。然后凯克基金会介入。

UCSB工程学院院长罗德·阿尔弗尼斯(Rod Alferness)说:“我们为奥马尔·萨勒(Omar Saleh)和以诺·杨(Enoch Yeung)获得凯克基金会奖感到非常自豪,这使他们能够在结合遗传反馈和合成系统的前沿领域推进研究。”“我们将激动地关注这些富有创新精神的年轻研究人员如何在他们开创性的工作中向前迈进。”

在活细胞中,染色质——动物细胞细胞核中发现的DNA和蛋白质的结合——是神奇发生的地方。在细胞的生命周期中,染色质可以发生巨大的结构变化,从像盘绕在线轴上的线那样紧密地包裹,到像铺在草坪上的花园软管那样松散地包裹。

“我们很兴奋的是,在细胞核染色质的结构是一个自治系统有基因,基因被读然后基因的产品回去改变染色质的结构,从而反过来影响基因转录,是否“萨利赫说。他补充说,这项计划是要创造一个仿生系统,在这个系统中,基因嵌入在DNA液滴中,形成一个自我调节的反馈回路,在这个回路中,基因活动控制着液滴的结构。

对于杨来说,液体-固体相变和基因表达动力学之间的相互作用是一个特别有趣的谜。生物阶段的转变——例如,在胚胎生长和发育过程中,我们的组织从液体到固体——仍然是相对很少被理解的现象,研究者希望能够通过研究这个被提出的模型系统,将其放在一个更牢固的定量和机械的背景下。

杨说:“在这两个过程之间有一个令人着迷的反馈循环,这是基因决定在单细胞内部如何开启和关闭的基础。”“如果我们能准确地预测这种反馈是如何发生的,并模拟自然的染色质合成过程,我们就能看到生物基因型和观察到的定量表型之间的计算联系。”

“这将是真正的变革,”杨继续说。“表型在本质上通常是分类的,但利用生物物理学、动力学和机器学习算法的结合,我们的目标是发现模型,定量预测生物介观和宏观的属性。”

“我们已经学会了如何控制这个过程,”萨利赫说。“我们基本上是在纳米尺度上进行设计——我们通过控制DNA的碱基序列来设计DNA片段,从而形成定制设计的纳米尺度DNA粒子,这些粒子的物理特性使它们相互粘在一起时形成液体,而不是固体。”

通过使用特定的遗传指令合成DNA片段,使它们脱离与酶的平衡,并使它们相互作用,研究人员希望从这些原始细胞中创造一些有趣的和有些奇怪的行为,包括液滴的出现和消失以及运动。

该项目仍处于初期阶段。Saleh和Yeung也在寻找一名或两名对这一令人兴奋的新领域感兴趣的博士后研究员,因为这一努力承诺产生更多关于自我调节和自治的未来智能材料的基本知识。Saleh说,虽然这一概念比目前的努力更深入,但它“开启了与组织对话的极端智能设备的可能性。”

此外,杨认为,描绘相变和基因表达之间的相互作用,并将理论与实验结合起来,将使合成生物学取得巨大进步。在这个领域里,科学家们受到生命过程的启发,设计出执行特定有用功能的生物分子组件和系统。例如,细菌和蛋白质在特定物质存在的情况下会发出荧光,工业酶产生产生无乳糖牛奶。

“目前的设计方法仍然依赖于筛选大的突变体库来获得预期的功能结果,”杨说。“如果能开发出与大规模混合合成方法协同工作的工具,加速成功的设计,那将是一件很棒的事情。”

W.M.凯克基金会总部设在洛杉矶,由Superior石油公司的创始人、已故的W.M.凯克于1954年建立。基金会的资助主要集中在医学研究、科学和工程以及本科教育领域的开拓性努力上。该基金会还维持着一个南加州资助项目,为洛杉矶社区提供支持,特别强调儿童和青年。更多信息,请访问www.wmkeck.org。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.news.ucsb.edu/2020/019941/pseudolife