基因表達(dá)是生命的基礎(chǔ)，每個(gè)細(xì)胞打開和關(guān)閉特定基因。因此，可以控制通斷切換的自主裝置在醫(yī)療保健中具有很大價(jià)值。

合成遺傳回路是控制基因表達(dá)和編程細(xì)胞以執(zhí)行所需功能的技術(shù)。因此，增加遺傳電路的復(fù)雜性將使我們能夠更準(zhǔn)確地控制細(xì)胞命運(yùn)。

然而，遺傳電路的復(fù)雜性仍然很低。這是因?yàn)?，在常?guī)的反應(yīng) - 擴(kuò)散系統(tǒng)中，酶和底物是分開提供的，并且酶與底物的非特異性結(jié)合導(dǎo)致不同電路之間的非預(yù)期串?dāng)_。

大阪大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的研究人員與東京大學(xué)，京都大學(xué)和早稻田大學(xué)的聯(lián)合研究項(xiàng)目構(gòu)建了稱為“基因納米芯片”的集成基因邏輯芯片。利用納米芯片上的集成因子，這些獨(dú)立的納米芯片可以在單個(gè)芯片內(nèi)打開和關(guān)閉基因，防止意外的串?dāng)_。

研究人員展示了納米芯片在人工細(xì)胞中的自主反應(yīng)：環(huán)境感知，信息計(jì)算和單芯片級產(chǎn)品輸出。他們的研究成果發(fā)表在Nature Nanotechnology上。

DNA納米技術(shù)是一種用于構(gòu)建定制結(jié)構(gòu)和控制精確分子布局的通用方法。研究人員使用矩形片(90納米寬，60納米深，2納米高)和集成酶，RNA聚合酶(RNAP，一種從DNA模板合成RNA的酶)和多種靶基因底物。

DNA納米技術(shù)的納米布局能力使研究人員能夠通過改變酶與靶基因之間的分子間距離來合理設(shè)計(jì)基因表達(dá)水平，從而影響碰撞效率和隨后的反應(yīng)。

研究人員進(jìn)一步整合了傳感 理想情況下，能夠檢測任何類型信號的傳感器應(yīng)具有最小的設(shè)計(jì)限制。然而，傳統(tǒng)方法受到若干限制(例如，材料)。這是因?yàn)?，在傳統(tǒng)的遺傳回路中，傳感器是酶底物的一部分(例如轉(zhuǎn)錄中的DNA;詳見注釋)。

相反，在該研究中，傳感器部分不依賴于酶促反應(yīng)。因此，研究人員可以使用任何改變信號識別的有效分子間距離的傳感器材料，允許構(gòu)建響應(yīng)不同信號(微小RNA，化合物，蛋白質(zhì)和光)的各種傳感器。此外，通過組合和整合響應(yīng)不同信號的傳感器，研究人員成功地對遺傳電路進(jìn)行了光重編程。

最后，納米芯片允許研究人員簡化遺傳電路的構(gòu)建，該遺傳電路響應(yīng)人工細(xì)胞，油包水滴，并且他們可以通過簡單地混合正交芯片來計(jì)算其miRNA譜，從而擴(kuò)展其功率。遺傳電路。

通訊作者Hisashi Tadakuma說：“轉(zhuǎn)錄反應(yīng)所需的所有因子都在這種集成的納米芯片上，因此環(huán)境傳感，信息計(jì)算和產(chǎn)品輸出都可以在單芯片級完成。在不久的將來，自主式納米芯片將在通過在空間和時(shí)間上控制基因表達(dá)來維持細(xì)胞處于健康狀態(tài)，這將體現(xiàn)“預(yù)防是最佳治療”的理想。