Nature Communications | 建立生物信號處理新框架,精準解碼細胞復雜語言
如何精確指揮細胞執(zhí)行特定任務,是合成生物學發(fā)展的關鍵挑戰(zhàn)。近日,中國科學院深圳先進技術(shù)研究院(簡稱“深圳先進院”)陳業(yè)團隊聯(lián)合湖南省農(nóng)業(yè)科學院單楊院士團隊在基因線路設計領域取得重要突破,他們建立了一套全新的生物信號處理框架,能夠精準“解碼”細胞感知的復雜信號。該研究成果以“A Framework for Complex Signal Processing via Synthetic Biological Operational Amplifiers”為題,發(fā)表于國際學術(shù)期刊《自然·通訊》(Nature Communications)。該研究的核心貢獻是建立了一個可拓展的、解決復雜信號處理問題的通用基因線路解決方案,并成功設計出生物學“運算放大器”(OA)作為實現(xiàn)該框架的物理載體,為解決多維信號調(diào)控難題提供了創(chuàng)新的工程化思路。
挑戰(zhàn):工程目標與細胞本能的矛盾
生物在億萬年的演化中,發(fā)展出了一套精密復雜的信號感知與響應系統(tǒng)。細胞能夠同時感知環(huán)境中多種信號(如營養(yǎng)、溫度、種群密度),并將這些信號整合、互作,從而做出最有利于自身生存的復雜決策。這種信號的復雜性和相互作用,對于生物適應多變的環(huán)境至關重要,是其生存智慧的重要體現(xiàn)。
然而,當研究人員嘗試將細胞改造為“細胞工廠”或“傳感器”以執(zhí)行特定的生產(chǎn)或識別任務時,這種天然的復雜性反而可能成為障礙。對于工程化目標而言,信號間的相互干擾(串擾)和不可預測的互作,會嚴重影響基因線路的穩(wěn)定性、調(diào)控精度和后續(xù)信號強化,使得細胞無法精準地執(zhí)行人工設計的程序。
突破:從“編碼”到“解碼”的信號處理新框架
為解決這一核心矛盾,陳業(yè)團隊從模擬電子電路的核心組件——運算放大器(OA)中獲得啟發(fā),創(chuàng)新性地提出了一套全新的解決方案。團隊首先建立了一個通用信號“解碼”框架,將細胞感知復雜環(huán)境并調(diào)整自身基因表達的過程視為一個?“編碼”過程——細胞將多種輸入信號“編碼”成一個混合的、非正交的響應信號。而該工作通過運算放大器實現(xiàn)的信號處理方案,則扮演了“解碼器”的角色??蓪毎傻幕旌闲盘栠M行精確線性運算,將其“解碼”為多個相互正交的干凈信號,從而讓工程師能夠清晰地理解細胞狀態(tài),并施以精準、有效的下游調(diào)控。
應用驗證:無誘導劑的動態(tài)調(diào)控與高維信號分解
該框架的強大功能在兩項關鍵應用中得到了驗證:
1.?實現(xiàn)了無誘導劑的動態(tài)調(diào)控:在生物制造中,團隊利用該框架,使大腸桿菌能夠“智能”地感知自身所處的生長階段(如指數(shù)期或平臺期),并自主切換基因表達模式——在成長期專注生長,在生產(chǎn)期高效合成目標產(chǎn)物(如莽草酸)。整個過程無需添加昂貴誘導劑,實現(xiàn)了過程自動化和生產(chǎn)高效化。
2.?實現(xiàn)了高維信號分解:面對三種常見的細菌群體感應(QS)信號相互“串擾”的復雜情況(包括受體蛋白和DNA識別序列兩類串擾),該框架成功將三維混合信號分解并消除串擾,實現(xiàn)了三個清晰獨立的正交輸出。這充分證明了該框架在處理多維、高復雜度信號系統(tǒng)中的強大能力。
未來展望
這項研究建立的信號處理框架,為合成生物學領域提供了一個強大的底層技術(shù)。它通過“解碼”細胞的內(nèi)在狀態(tài),使得對復雜生物系統(tǒng)的精準、可預測調(diào)控成為可能。這一基礎性突破不僅為解決當前生物制造中的諸多瓶頸問題提供了新思路,也為未來設計更加智能、魯棒的“細胞計算機”,應用于醫(yī)藥健康、環(huán)境治理和可持續(xù)能源等領域鋪平了道路。
深圳先進院陳業(yè)研究員、湖南省農(nóng)業(yè)科學院單楊院士以及深圳先進院博士后劉莉莉為本文的通訊作者。深圳先進院與湖南大學聯(lián)合培養(yǎng)博士生操文軍、深圳先進院博士后劉莉莉為本文共同第一作者。本研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項以及深圳合成生物學創(chuàng)新研究院等項目的支持。

文章上線截圖

圖?1?運算放大器設計和應用示意圖

圖?2?信號分解矩陣運算

圖?3?無誘導劑的動態(tài)調(diào)控

圖?4?三維信號分解
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