合成生物電路時(shí)，往往需要進(jìn)行大量計(jì)算才能確定生物電路中的化學(xué)反應(yīng)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果想要合成有應(yīng)用價(jià)值的生物電路，必須具備專(zhuān)業(yè)的化學(xué)知識(shí)。

現(xiàn)在，巴西聯(lián)邦南馬托格羅索州大學(xué)（Federal University of South Mato Grosso）計(jì)算學(xué)院兼職教授 Renan Marks 改進(jìn)了一款可以設(shè)計(jì)生物電路（Biological circuits）的軟件程序，即便沒(méi)有化學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備的人也能利用該軟件，輕松設(shè)計(jì)出生物電路。

這項(xiàng)研究論文發(fā)表已于近日發(fā)表在《IEEE 設(shè)計(jì)與測(cè)試》上，論文詳細(xì)闡述了這款合成生物電路軟件的研究進(jìn)展。

生物電路的化學(xué)反應(yīng)，指的是在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中 DNA 鏈的合成和斷裂。具體來(lái)說(shuō)，就是研究人員設(shè)計(jì)的合成 DNA 鏈，以恰當(dāng)濃度在試管內(nèi)進(jìn)行混合，然后形成模擬電路，當(dāng)分子鏈接形成和打破的時(shí)候，進(jìn)行加、減、乘運(yùn)算，然后將其轉(zhuǎn)換為可以在 DNA 鏈中合成的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

Marks 的團(tuán)隊(duì)此前開(kāi)發(fā)了一款名為 DNAr 的軟件程序，用戶(hù)可以用其模擬各種化學(xué)反應(yīng)、設(shè)計(jì)新生物電路。在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該軟件進(jìn)行了改進(jìn)，他們?yōu)?DNAr 開(kāi)發(fā)了一個(gè)擴(kuò)展程序 ——DNAr-Logic，利用這款擴(kuò)展程序科學(xué)家可以設(shè)計(jì)更高級(jí)、更復(fù)雜的生物電路。

具體來(lái)說(shuō)，科學(xué)家只需描述想設(shè)計(jì)的生物電路，輸入 DNAr-Logic，就能自動(dòng)轉(zhuǎn)化為可以在 DNA 鏈中合成的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

為了證明新軟件的有效性，Marks 的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列的測(cè)試。Marks 說(shuō)：“結(jié)果表明，DNAr-Logic 能夠設(shè)計(jì)多種類(lèi)型的生物電路，產(chǎn)生多達(dá) 600 多種化學(xué)反應(yīng)?？傊?，DNAr-Logic 可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)、模擬和測(cè)試生物電路等需求?！?/p>

在 DNAr-Logic 的幫助下，科學(xué)家在設(shè)計(jì)生物電路時(shí)，可以把更多的精力放在對(duì)生物電路的優(yōu)化上，而不是擔(dān)心化學(xué)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的計(jì)算和細(xì)節(jié)。

“不懂化學(xué)知識(shí)的科學(xué)家也可以使用 DNAr-Logic 設(shè)計(jì)和模擬生物電路 ，同時(shí)也不需要手寫(xiě)數(shù)百個(gè)反應(yīng)和微分方程來(lái)模擬生物電路的動(dòng)態(tài)行為。這款軟件可以幫科學(xué)家‘減負(fù)’，讓他們可以從大量復(fù)雜的化學(xué)計(jì)算中脫身出來(lái)”，Marks 這樣描述新擴(kuò)展程序的優(yōu)勢(shì)。

不過(guò)，在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，想要完全依賴(lài) DNAr-Logic 設(shè)計(jì)生物電路，還面臨著一些問(wèn)題。

例如， 由松散的 DNA 鏈組成的生物電路可能會(huì)發(fā)生 “泄漏反應(yīng)”（leak reactions），這是指某些 DNA 鏈可能會(huì)與溶液中的其他 DNA 鏈發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤 “計(jì)算”。

對(duì)此，Marks 表示：“雖然諸如‘泄漏反應(yīng)’之類(lèi)的問(wèn)題仍然需要解決，但是合成生物電路有巨大潛力，這個(gè)新的研究領(lǐng)域開(kāi)辟了無(wú)限的可能性。我們計(jì)劃以 DNAr 為框架，對(duì)軟件進(jìn)行新的擴(kuò)展，以協(xié)助研究和開(kāi)發(fā)基于算法的新生物電路，這些算法可以幫助醫(yī)護(hù)人員更快地診斷疾病，以及更有效地治療疾病。”

盡管基于合成生物學(xué)的生物電路技術(shù)還處于早期階段，但其具有廣泛而重要的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。生物電路技術(shù)可以用于診斷癌癥、檢測(cè)內(nèi)部損傷，如創(chuàng)傷性腦損傷、失血性休克等。

生物電路技術(shù)還可以于藥物遞送，如生物電路技術(shù)修飾過(guò)的細(xì)胞，可以精確、定量地靶向病灶。

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