2024年7月31日， 西湖大學醫(yī)學院、生命科學學院解明岐團隊在期刊《Cell》上發(fā)表了題為“Multi-layered computational gene networks by engineered tristate logics”的研究論文。本研究提供了一種資源高效的替代方案，可以替代編程集成基因網(wǎng)絡，不再不分青紅皂白地遵循傳統(tǒng)的電子和電路設計藍圖，有望揭示哺乳動物生物計算機的治療潛力。
研究背景
合成生物學旨在通過以計算機程序員和芯片設計師的思維方式接近生物系統(tǒng)，從而獲得對活細胞和組織的精確控制。多層生物計算的編程策略，在很大程度上遵循為數(shù)字電子學中的集成電路開發(fā)的傳統(tǒng)設計原則。在電子學和生物學中，布爾邏輯門是所有復雜電路和基于微處理器的系統(tǒng)，理論上都可以從頭開始構建的基本構建塊。然而，在實際操作中，當開發(fā)更復雜度的基因回路時，這種方法可能會達到極限。
與電子電路不同，不同轉錄和翻譯（TX/TL）網(wǎng)絡內跨基因開關和連接模塊的信號處理相對較慢，使電路性能極易受到門延遲和/或可能冗余編碼算法的影響。此外，盡管電子和電路的每個部分本質上都是彼此正交的，當統(tǒng)一時幾乎沒有信號干擾，但大規(guī)模生物電路的工程，無法避免對相互正交或功能歸一化的遺傳組件，進行艱苦的重新設計，以確保各個模塊之間沒有串擾。因此，半加法和半減法，仍然是復雜的網(wǎng)絡拓撲結構，可以使用多層基因調控策略，在單個哺乳動物細胞中進行工程設計。能夠處理多個基因表達單元和/或多個基因表達階段的多個信號（例如，互連的TX/TL控制）的集成基因網(wǎng)絡的構建，仍然超出了當前生物計算能力的極限。
在本研究中，團隊提出了一種基于三態(tài)邏輯合成（TriLoS）的方法，作為將各種組合邏輯，映射到多層哺乳動物基因網(wǎng)絡的概念替代方案。使用TriLoS，團隊不僅能夠以非凡的魯棒性、模塊化和算術復雜性，對多層基因網(wǎng)絡進行編程，而且還展示了一種假定的治療范式，允許同一批植入細胞的療法，在體內運行疾病特異性3-輸入 2-輸出藥物分泌方案。
研究進展
擴展基于TriLoS的基因電路，用于多輸入、多輸出的生物計算
實驗結果顯示，只有GEMS受體含有細胞內IL-6RBm，允許Gra觸發(fā)的靶基因表達。因此，NS3a（H1）-GEMS的共表達TM系列-IL-6RBm（指定GEMSNS3a（H1））、GNCR1-寶石學TM系列-IL-6RBm（指定GEMSGNCR1型），由合成的STAT3特異性啟動子驅動的報告基因表達載體，產(chǎn)生新的Gra誘導型 BUF2開關，而類似的Gra-repressible NOT2開關，包括ANR-GEMSTM系列-IL-6RBm（指定GEMS抗逆轉錄病毒） ，而不是GEMSGNCR1型。
控制SEAP表達的IF1開關，可以與BUF并行操作2-開關驅動相同細胞中的Nluc表達。這不僅支持團隊研究的電路性能，而且從細胞生物學的角度來看，它還表明細胞內環(huán)AMP（cAMP）和STAT3信號之間，可能存在的正交性。
擴展基于三態(tài)的基因電路以產(chǎn)生多個輸出通道
一種用于體內基于細胞的糖尿病治療的3輸入2輸出治療生物計算機原型機
除了通過尋求增量復雜性，來構建基于細胞的布爾計算器外，由多層基因網(wǎng)絡驅動的生物計算的另一個主要目標，是開發(fā)可編程的基于基因和細胞的療法，這些療法可以在體內按需分泌治療性蛋白質。例如，糖尿病是一種慢性、多因素和難治性代謝疾病，在不同的病理狀態(tài)下需要不同的治療方案。每種病理狀態(tài)都可以由不同的輸入信號來定義，輸入信號可以根據(jù)實際的疾病發(fā)作，精確協(xié)調不同治療輸出信號的分泌。特別是對于大多數(shù) 2 型糖尿病（T2D）患者，胰高血糖素樣肽1（GLP-1）或胰島素（INS）都是符合條件的治療方法。然而，隨著INS耐藥性的進展，GLP-1可能成為主要的治療選擇，而INS給藥是INS缺陷的1型糖尿?。═1D）患者或患有晚期β細胞衰竭的T2D患者的唯一治療解決方案。從生物計算的角度來看，這種治療方案可以用（過度）簡化的布爾真值表來概括。
也可以使用3種不同的輸入信號，繪制類似的治療計算。事實上，未來的相關治療方案，可能首先需要體外制造基于細胞的植入物。這些植入物具有定制設計的計算邏輯，然后將工程化細胞終生植入患者體內，以允許不同的環(huán)境信號（例如，藥物攝入），在同一植入裝置的不同藥物分泌程序之間靈活地穿梭。與直接使用兩個獨立觸發(fā)信號A和B的混合使用相比，使用第3個觸發(fā)信號C，來提供排他性的INS（而不是GLP-1）分泌邏輯，將具有更高的實際意義。由于T1D和β細胞耗竭是不可逆的并發(fā)癥，因此從患者開始僅INS方案的那一刻起，可能不再需要GLP-1生產(chǎn)模塊。由于在診斷為T1D時，GLP-1可能永遠不會再次成為該患者的治療選擇，因此，一次性暴露于第3個觸發(fā)信號C，可能有助于不可逆地“消除”VA 調節(jié)的GLP-1產(chǎn)生模塊（如果C=1；INS遵循B的值，A陷入高阻抗狀態(tài)Z），這使得Gra調節(jié)的INS產(chǎn)生，仍然是他/她唯一的處理選擇。這不僅避免了長期服用過量的藥物，而且還可以從患者的食物限制方案中，去除某些成分。
為了證明觸發(fā)誘導的Cre活性，團隊使用了他莫昔芬調節(jié)的ERT2CreERT2重組酶，并證明他莫昔芬誘導和他莫昔芬可抑制基因表達，可以在哺乳動物細胞和小鼠中有效實現(xiàn)。TriLoS不僅允許在哺乳動物細胞中，使用較大簡化的編碼策略，映射各種復雜的目標邏輯公式，而且還提供了創(chuàng)建具有可設計和疾病特異性治療邏輯的可編程細胞療法的前景。
用于體內基于細胞的糖尿病治療的治療性生物計算機
研究結論
三態(tài)緩沖液不僅與生物系統(tǒng)中的基因電路兼容，而且特別適合于編程生物系統(tǒng)中的基因電路。1. 根據(jù)定義，三態(tài)緩沖區(qū)由上游和下游開關元件組織，這有利于以生物學相關的方式（重新）構建網(wǎng)絡拓撲，因為基因表達本質上是分層調控的。2. 三態(tài)緩沖器的高阻抗狀態(tài)Z，可能是魯棒性、資源高效和無干擾生物計算的缺失環(huán)節(jié)。3. 三態(tài)緩沖器的邏輯架構，有助于靈活映射各種數(shù)學術語，以進行監(jiān)管交互。這種將各種計算算法系統(tǒng)地分解為三態(tài)緩沖區(qū)的方法，使得各種感興趣的算術公式能夠簡單地實現(xiàn)，并使生物計算機能夠用于各種用戶定義的目的進行組裝。
本研究描述了一個模塊化藍圖，該藍圖允許設計復雜的基因網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡由多個互連的開關組成，這些開關在基因表達的不同層上運行。三態(tài)架構的獨特優(yōu)勢，幾乎是為生物工程量身定制的。使用TX/TL反饋系統(tǒng)的Hill型模型，基于三態(tài)的方法可以：（1）顯著減少定義電路整體尺寸的生化反應總數(shù)；（2）較小化考慮單個門延遲的邏輯操作總數(shù)；（3）終實現(xiàn)更完整的邏輯合成集?；谌龖B(tài)緩沖區(qū)（而不是布爾邏輯門）構建的基因電路，可以大大節(jié)省工作量和用于生物計算的細胞資源。因此，通過建立一種標準化的編程語言，允許哺乳動物生物計算機的合理組裝，具有與當前電子設備類似的易用性、可預測性和可擴展性，TriLoS解決了哺乳動物合成生物學的一個關鍵問題，并可能為多層基因網(wǎng)絡的穩(wěn)健實施鋪平道路，這些應用需要對活細胞甚至生物體進行精確調控，以提高治療機會。
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