人工智能模仿哺乳植物细胞，构建「细胞电路」模子

编辑/雪松

设计基因工程细胞并使其实行可定制功效的研究，是一个新兴的前沿范畴。该范畴涉及浩繁技能和转化应用；是以，体系地设计哺乳动物细胞，并实行庞大的功效具有极大的挑衅性。使用人工智能对细胞的布局与功效举行全方位模仿，是促进该技能进展的紧张思绪。

来自加州大学旧金山分校的Joseph J. Muldoon及其团队开辟了一种合成生物学模仿新要领，该要领可以或许使用生物高性能遗传部件联合猜测盘算模子，举行正确的遗传步伐设计；使生物工程师可以或许猜测性地设计哺乳动物细胞功效，纵然在高度庞大的细胞情况中也能顺遂举行。

该研究以「Model-guided design of mammalian genetic programs」为题于2021年2月19日颁发于《Science Advances》杂志。

细胞可以比作庞大的呆板，细胞内的各种分子通路可以比作很多相互作用的电路，细胞核则可比作基因数据集；这些基因集和谐了迁徙、新陈代谢和细胞破裂等功效。合成生物学家的目的是构建「基因电路」，从而使细胞得到新的功效，这些功效未来可用于疾病的监测和治疗。然而使用细胞试验去表达验证导入的基因序列，时间周期长，可同时验证的数目有限，且简单堕落。假如使用人工智能对「细胞电路」举行模仿，则能比力简单办理这一题目。

在本文所述研究中，研究职员构建整合转录和翻译后操纵的多功效卵白质，用于验证形貌这些机制的模子；实行数字处置惩罚和模仿处置惩罚，并将遗传电路与传感器有用地毗连起来，举行多输入评估。这些部件具有功效模块化和组合多功效性等性能；在利用时，科学家可以通过多个组合步伐餍足给定的设计目的。

用于整合基因表达的转录和翻译后操纵的生物部件

研究职员研究遗传步伐设计所利用的计谋是，运用可组合哺乳动物转录元件 (COMET) 实现。COMET具有可调特性的 TF 和启动子东西包，可以或许准确和正交操纵基因表达。该团队为启动子和 ZFa（大概是按捺剂）等生物部件的每种组合都给予转录活性的特性程度，并开辟数学模子来表征这些干系。

COMET 包罗很多用于实行转录调控的部门，可以通过在翻译后程度引入调控机制来促进庞大的遗传步伐设计。为了研究这种计谋，该团队评估了基于破裂内含肽的新部门：折叠和反式剪接的侧翼布局域（外显肽）和以共价毗连的互补布局域 。试验评释，该团队提出的组件模子可以形貌基于破裂内含肽的电路。

图示，规律评估是通过转录和翻译后调控来实现的。（泉源：论文）

然后该团队依次从遗传步伐的模子指导设计，使用功效模块化技能压缩电路设计，模仿信号处置惩罚等方面临细胞电路模子举行了评测与优化。

图示，模仿举动是通过利用饰演多个脚色的TFs来构建的。（泉源：论文）

将遗传电路与传感器集成，以创建感知和相应功效

利用遗传步伐的猜测设计来实现很多潜伏的应用，必要将遗传回路部门、感知和调治细胞状态的部门整合在一路。告竣此目的的重要困难是，将传感器的输出与卑鄙电路的输入要求举行电平立室。研究职员检测了他们设计的电路是否可以高效地毗连到传感器。模仿评释，添加信号处置惩罚的上游层用于传感是可行的；在模子中 ，ZFa可以串联分列，是以不会过多地进步配景或按捺感到信号。

其他测试效果评释，遗传步伐可以通过猜测模子驱动的历程来设计；同时，这些步伐可以高效地与差别范例的传感器毗连，实现高性能的传感和信息处置惩罚功效。

总结

研究职员开辟了一种用于准确遗传步伐设计的要领，该要领通过设计联合转录和翻译后操纵的新部件，验证盘算建模框架。试验观看效果与模仿布局非常立室；纵然是在新卵白（具有多布局域的卵白)和新拓扑(具有庞大相互作用）的场景中，仍旧具有正确的猜测本领。用于联合、剪接、激活和按捺的机制可以通过简明的规律电路组件来形貌，是以不必要对原始形貌模子举行底子性的修改便可以完成猜测。别的，该体系不必要试错本领（比方，设计的履历调解或遗传部件的更换）来到达指定的设计目的，从而简化了设计-构建-测试-进修周期。这里开辟的新组件模子和设计要领，可以关心科学家在底子研究、生物技能和医学应用等范畴构建工程细胞。

论文链接：http://advances.sciencemag.org/content/7/8/eabe9375

相干报道：http://phys.org/news/2021-06-simulations-rapid-functions-mammalian-cells.html