Un recente paper2 utilizza un approccio creativo a questo problema. Invece di usare molecole induttore di pilotare direttamente l'espressione del gene di uscita, che utilizzano gli induttori per guidare l'espressione di ricombinasi che poi procedono a rendere irreversibili, cambiamenti fisici al DNA.

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Salmonella usi questo espediente per controllare l'espressione dei geni flagello adiacenti lanciando il promotore che trasforma i geni e OFF3. Il sistema utilizzato da questi batteri è stata la base del primo in vivo computer4, creato dai laboratori dove ho ottenuto il mio inizio nella ricerca.

Genetica Logica Gates e Flipping DNA

La biologia sintetica è attualmente di fronte ad una importante questione tattica: dovremmo forzare la biologia a comportarsi come l'elettronica, o dovremmo riciclare gli stessi meccanismi della biologia utilizza già, ma in modi nuovi? Siamo in nessun posto vicino ad eliminare complessità biologica del tutto; Anche i dispositivi digitali biologici vicino operano all'interno del Canada Goose Online Scams Uk mondo disordinato della cella. Se dobbiamo abbracciare questa o catturare più terreno per il digitale resta da vedere, ma sta diventando sempre più chiaro che i critici iniziali di biologia sintetica erano sbagliati: la biologia non è troppo complesso per progettare razionalmente.

3. Johnson, R. C. Bruist, M. F. intermedi in Hin DNA mediata inversione: un ruolo per Fis e l'enhancer ricombinazione nella reazione di scambio filo. EMBO J. 8 1581 1590 (1989).

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Ecco come funziona. Ricombinasi riconoscono brevi sequenze di DNA direzionali, comunemente chiamati 'siti', e in genere rappresentati da piccoli triangoli (come io uso qui). Se i siti puntano allo stesso modo, i tagli ricombinasi e li incolla in un unico sito, l'eliminazione del DNA intervenire nel processo. Se i siti puntano in direzioni opposte, tuttavia, il DNA intervenire e una porzione del DNA sito è capovolto, invertendo così alla posizione originale.

In biologia sintetica, che controlla l'espressione genica è importante al fine di raggiungere gli obiettivi come la generazione di dispositivi medici o la produzione di prodotti chimici di base. L'approccio più popolare per affrontare la complessità biologica che vediamo in sistemi naturali è quello di farne a meno del tutto. Un piccolo campo all'interno biologia sintetica sta lavorando per rendere porte logiche semplici ed affidabili all'interno delle cellule viventi di agire come elementi di controllo versatili, alternative semplificate e digitali per la complessità che vediamo in natura.

Per semplificare questo un po ', ho disegnato un esempio concentrandosi solo sulla porta AND. Come in elettronica, la porta AND produce una potenza di 1 solo se entrambi gli ingressi sono 1 (così, 1, 1 produce 1). In tutti gli altri casi, produce una potenza di 0. Mentre elettronico porte AND corrente di uso sia come ingresso e uscita, la porta AND genetica utilizza due piccole molecole induttore come input, che a sua volta causa espressione delle ricombinasi che attivano direttamente la porta logica. L'uscita è espressione di GFP, provocando le cellule di E. coli a bagliore verde.

La possibilità per le cellule di controllo dell'espressione genica in risposta alle mutevoli condizioni è fondamentale per la loro sopravvivenza. Le persone passano tutta la loro carriera prendere in giro a parte questi meccanismi, molti dei quali sono sorprendentemente complicato.

2. Bonnet, J. et al. Amplificando porte logiche genetiche. Science 340, 599 603 (2013).

Altre applicazioni potrebbero coinvolgere induttori che variano in concentrazione, ad esempio quando la porta logica deve rispondere ad un cambiamento di stato della cella. Hanno testato come acutamente il cancello transizione da OFF a ON (o viceversa) attraverso concentrazioni intermedie di induttore. Soggettivamente, direi che la commutazione era tutto abbastanza bene. Il tasso di errore (il numero di cellule che danno l'uscita appropriato per la porta logica proposta ingressi) varia da porta a porta, e induttore ad induttore, ma era tipicamente inferiore al 20%. L'aggiunta di elementi di controllo più raffinato che potrebbe ridurre ancora di più.

Nella parte superiore del mio schema è la porta AND nello stato predefinito: entrambi gli ingressi sono 0, in quanto non vi è ancora alcun ingresso! RNA polimerasi (blob viola) non è in grado di superare i due terminatori trascrizionali ( 'STOP'), che insieme compongono la porta AND. Quando entrambe le ricombinasi sono espressi (ingresso: 1,1), i due terminatori in avanti puntamento sono capovolte in modo indipendente in orientamento inverso. In questo nuovo orientamento i terminatori sono in grado di bloccare l'RNA polimerasi, e trascrizione procede tutto il percorso attraverso il gene GFP. La trascrizione è poi tradotto in proteine ​​GFP. Poi hanno provato come prevedibile si comportavano, e come 'digitale' che erano. E 'importante notare che, anche se un dato filamento di DNA è completamente digitale (presente o assente, in avanti o indietro), ogni cella ha molti plasmidi che trasportano le porte logiche, e una grande popolazione di cellule deve essere campionato per eseguire l'esperimento. Inoltre, l'espressione delle ricombinasi è sotto il controllo di induttori, e così il tasso di ricombinazione dipende piuttosto dalla concentrazione di induttore.

incoraggiante per il campo, quando gli ingressi per le porte logiche erano ai loro estremi (ad alta concentrazione o nessuno), il modello di uscita sembrava digitale. Quando entrambi induttori sono ad alta concentrazione, quasi tutte le cellule con porte AND mostrato un picco di fluorescenza. Quando solo uno o nessuno induttore era presente, quasi tutte le cellule erano al basso, il livello basale della fluorescenza. Questo più o meno tenuto vero per tutte le porte, anche se alcuni commutata stato più completo di altri nelle condizioni appropriate. Questa è una buona notizia.

DNA è intrinsecamente 'binaria' in un paio di modi: una data sezione di DNA è presente o assente, e ha un orientamento in avanti o indietro. È possibile assegnare un 1 o 0 per la presenza misure / assenza e orientamento avanti / indietro orientamento, rendendo tali condizioni controllano l'espressione di un gene reporter (GFP, la proteina fluorescente verde, è la scelta preferita). Non ci sono stati intermedi per un determinato filamento di DNA, poiché non vi è nulla tra presente e assente, e nessuna di orientamento tra marcia avanti e indietro dal momento che un segmento di DNA viene ancorato in posizione alle estremità da legami chimici. Fortunatamente, ricombinasi in grado di controllare sia l'orientamento del DNA e la presenza / assenza in un modo abbastanza semplice.

Le porte logiche

sono disponibili in una varietà di sapori. Gli informatici li usano per convertire i due ingressi binari in una singola uscita binaria. Uscite da due porte logiche possono essere cablati come ingressi in una terza porta logica, e così via. Queste porte logiche sono assolutamente cruciali per l'elaborazione dei dati che rende possibile il mondo digitale.

1. Sawyer, E. M.. Interdisciplinare BioCentral 4, 10 (2012). [Accesso libero]

maggior parte degli approcci di porte logiche genetiche hanno fatto affidamento sul controllo diretto della trascrizione, e il mio contributo a questo campo utilizzato il controllo della traduzione 1. La sfida è la conversione di input che variano un po 'di concentrazione in discrete 0 o 1 uscite. Solitamente vi è una correlazione tra la concentrazione di segnale e l'espressione genica uscita, mentre una porta logica vera dà un'uscita binaria: 1 o 0, tutto o niente.

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