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替代复杂化学运算,这款新软件程序欲为生物电路设计科学家「减负」

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DeepTech深科技 2021-06-16 22:11

合成生物电路时,往往需要进行大量计算才能确定生物电路中的化学反应。简单来说,如果想要合成有应用价值的生物电路,必须具备专业的化学知识。

现在,巴西联邦南马托格罗索州大学(Federal University of South Mato Grosso)计算学院兼职教授 Renan Marks 改进了一款可以设计生物电路(Biological circuits)的软件程序,即便没有化学知识储备的人也能利用该软件,轻松设计出生物电路。

这项研究论文发表已于近日发表在《IEEE 设计与测试》上,论文详细阐述了这款合成生物电路软件的研究进展。

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(来源:《IEEE 设计与测试》)

生物电路的化学反应,指的是在电路设计过程中 DNA 链的合成和断裂。具体来说,就是研究人员设计的合成 DNA 链,以恰当浓度在试管内进行混合,然后形成模拟电路,当分子链接形成和打破的时候,进行加、减、乘运算,然后将其转换为可以在 DNA 链中合成的化学反应网络。

图 | 生物电路(来源:Pixabay)

Marks 的团队此前开发了一款名为 DNAr 的软件程序,用户可以用其模拟各种化学反应、设计新生物电路。在这项研究中,研究团队对该软件进行了改进,他们为 DNAr 开发了一个扩展程序 ——DNAr-Logic,利用这款扩展程序科学家可以设计更高级、更复杂的生物电路。

具体来说,科学家只需描述想设计的生物电路,输入 DNAr-Logic,就能自动转化为可以在 DNA 链中合成的化学反应网络。

为了证明新软件的有效性,Marks 的团队进行了一系列的测试。Marks 说:“结果表明,DNAr-Logic 能够设计多种类型的生物电路,产生多达 600 多种化学反应。总之,DNAr-Logic 可以满足设计、模拟和测试生物电路等需求。”

在 DNAr-Logic 的帮助下,科学家在设计生物电路时,可以把更多的精力放在对生物电路的优化上,而不是担心化学链式反应的计算和细节。

“不懂化学知识的科学家也可以使用 DNAr-Logic 设计和模拟生物电路 ,同时也不需要手写数百个反应和微分方程来模拟生物电路的动态行为。这款软件可以帮科学家‘减负’,让他们可以从大量复杂的化学计算中脱身出来”,Marks 这样描述新扩展程序的优势。

不过,在医学应用中,想要完全依赖 DNAr-Logic 设计生物电路,还面临着一些问题。

例如, 由松散的 DNA 链组成的生物电路可能会发生 “泄漏反应”(leak reactions),这是指某些 DNA 链可能会与溶液中的其他 DNA 链发生反应,从而导致错误 “计算”。

对此,Marks 表示:“虽然诸如‘泄漏反应’之类的问题仍然需要解决,但是合成生物电路有巨大潜力,这个新的研究领域开辟了无限的可能性。我们计划以 DNAr 为框架,对软件进行新的扩展,以协助研究和开发基于算法的新生物电路,这些算法可以帮助医护人员更快地诊断疾病,以及更有效地治疗疾病。”

尽管基于合成生物学的生物电路技术还处于早期阶段,但其具有广泛而重要的医学应用。生物电路技术可以用于诊断癌症、检测内部损伤,如创伤性脑损伤、失血性休克等。

生物电路技术还可以于药物递送,如生物电路技术修饰过的细胞,可以精确、定量地靶向病灶。

https://spectrum.ieee.org/tech-talk/computing/hardware/dna-based-circuits-future-of-medicine-this-software-program-gets-us-there-faster

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