你的智能手机和笔记本电脑的电子电路。基因电路,模拟电子,人造基因交互的组件的组合产生一个或多个蛋白质或RNA分子,例如,在一个给定的刺激,如毒素。在合适的条件下,可能触发电路使“B蛋白A,然后与蛋白质相互作用给结果C”, David Riglar说,哈佛医学院的合成生物学家在波士顿,马萨诸塞州。但直到大约十年前,这两种电路是由以非常不同的方式。

电子工程师设计电路使用自动化的计算机辅助设计(CAD)工具。相比之下,基因工程师不得不手动设计生物电路,和一次——一个艰难的、迭代和容易出错的过程。电脑genetic-design工具是改变这一现状。他们自动化的过程研究人员设计复杂的基因电路程序细胞——尤其是细菌和酵母——执行特定操作,如激活特定的酶或生产某种蛋白质。合成生物学家使用单细胞有机体以这种方式生产药物,生物传感器,包括细胞或抗体,酶用于工业,以及更多。

“基因电路设计工具应该大大增加的可访问性的各种遗传操作通常被认为是“合成生物学”,”伊丽莎白Strychalski说,微生物工程师美国国家标准与技术研究院(NIST)在盖瑟斯堡,马里兰州。她的小组使用genetic-design工具大提琴和j5开发“活测量系统”,她说:细胞可以作为传感器和应对外部环境干扰。“那些转基因生物体本身成为工具,允许任何人理解和控制生物细胞的新方法。”

负责人根据道格拉斯Densmore跨学科整合设计自动化波士顿大学研究实验室,这些工具代表基因电路如何设计的根本性转变。以前,他解释说,基因电路设计主要是一个定制的过程。因此,设计很难分享,提高和扩大。“这是不现实的手工方法构建一个行业,“他说。虽然这些“伟大的早期研究”,他们最终不能被转移到一个大规模的。这就是自动化。“自动化的过程将开始设计的笔记本电脑和软件,”他说。

的电路设计工具表明同意。然而,软件开发合成生物学是在不断变化。一个工具,基因构造函数,由其母公司突然终止,CAD软件开发人员在圣拉斐尔Autodesk研究,加州,8月。但是研究者在单细胞生物仍然可以访问一些开源或免费工具,包括大提琴,j5和另一个称为iBioSim。他们可以使用这些工具来编织电路到整个基因组或设计检查不同的基因组合,成千上万的变异酶或蛋白质域。

“CAD工具是绝对需要生物系统的设计,”安德鲁·塞尔说首席执行官基因组未来学家和人道的基因组在旧金山,加利福尼亚。

遗传CAD

Densmore发达大提琴,在电子设计自动化背景,它显示了。研究人员可以直接大提琴设计满足一定规格的基因电路无需告诉软件任何关于如何实际构建它,就像电子设计工具。指导用户可用的软件——源代码,一个web应用程序——用Verilog,电子工程师使用的相同的计算机语言来描述他们的硅电路。“你指定你想要的功能,而不是创建的方式,“Densmore解释道。例如,用户可以要求大提琴设计基因电路产生一种蛋白质时,感觉两个抗体的存在。软件会计算出哪些组件必须放在一起发生,和输出所需的核酸序列构建它。大提琴也预测其电路可能会执行。

Densmore大提琴设计与合成生物学家克里斯托弗·沃伊特的实验室合作在剑桥的麻省理工学院,用于细菌大肠杆菌。现在,他们共同扩大工具在酵母工作,他说。Densmore沃伊特使用大提琴设计电路产生一个小信号分子,以应对其他两个分子的存在,和正在电路具有记忆功能以不同的方式取决于他们的顺序的目标,Densmore说。

不像大提琴,其他自动化工具包括iBioSim, j5和GenoCAD不吐出预测遗传电路将如何执行或他们是否正确。他们都需要用户知道如何结构化电路和输入信息。

一个基因的语法

GenoCAD,商业,但开源版本,提供了规则,定义哪些功能部分的DNA序列可以在一起,将序列编程代码。“DNA序列有相同的语言复杂性作为编程语言——有规则,人需要尊重,”吉恩·Peccoud GenoFAB创始人兼首席执行官在旧金山,开发了软件作为更广泛的基础组genetic-design工具和服务。“这是一个语法。所有这些规则的正式表示生物知识。”和从他们的软件,可以将一个电路设计转化为物理段DNA序列,可以构建的电路。(大提琴是建立在一套类似的规则:一种语言叫尤金,Densmore发展。)

由联合维尔生物能源研究所,加州和授权专门TeselaGen在旧金山,j5允许研究人员设计基因电路通过拖拽基因控制元素到画布上。“你躺下一系列的符号,说,“我想要一个启动子在这里,我想要一个核糖体结合位点,”“Densmore说。用户可以选择多个组件,他们可能想要测试在一个特定的位置,比如工作哪些组合产生最健壮的输出。“然后使用规则说,‘不要把A和B部分一部分,但C必须经过D部分的一部分,然后列举了所有不同的组合,“Densmore说。非盈利性大学和研究所的研究人员可以免费使用该软件通过TeselaGen账户;该公司还提供商业账户。

不需要特殊技能使用自动化DNA-design工具,而是因为他们做呼吁元素的详细规范,熟悉计算机编程有帮助。“我不认为现在的学习曲线太陡,甚至在更复杂的工具,”塞尔说。“这些工具非常复杂,他们不可能在几天。“塞尔说,最难的部分是构建和测试电路。Peccoud说他甚至可以教那些没有计算机科学背景的分子生物学家使用GenoCAD在短短几小时。

对于那些需要帮助,合成生物学社区可能是最好的起点。“研究人员在这个领域通常访问和乐于助人,”德鲁说,微生物工程师在NIST Strychalski工作。“我鼓励某人刚刚开始接触的建议和充分利用大量的在线资源”等GitHub的代码库,他说。

一个空缺利基涉及工具,可为非专家,但强大的和可伸缩的足以处理数百万个DNA碱基对和许多设计。8月之前关闭——连同Autodesk的整个生命科学团队——基因构造函数就是这样做的。关闭”是一个内部战略决策”,以利Groban说,领导项目管理和计算生物学家战略Autodesk生命科学集团公司通过电子邮件宣布,基因构造函数时结束,Groban说,从个人研究小组得到了答复要求他们保持下去。这个工具的用户界面设计更方便于更广泛的社区的生物学家比工具只是针对合成生物学家,他说。“基因构造函数的差距想修复仍然适用。”

基因电路设计工具的使用正在增加在合成生物学家,Strychalski说,尽管速度缓慢。Groban说,问题是经济学中的一个。“在学术社区,这里有犹豫支付软件。没有人真的,成本效益分析”,它可能是更便宜的花甚至数万美元的薪水比让研究生软件花费大量的时间建立自己的版本,或设计电路在传统的方式。

现在,“大多数生物学家不工作规模”,赫塞尔说,但可以改变。他告诉学生,在他们的职业生涯,他们将操作一个大大大范围比他们目前的实验室工作,管理合成机器人和检测遗传变异的大得多的数据集。自动化genetic-design工具很可能会被要求实现它。