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计算机化生物学 或如何用计算机控制细胞群

2019-05-11 10:45:37   来源:

来自巴斯德研究所和Inria的研究人员,来自CNRS和巴黎狄德罗大学的研究人员以及奥地利科学与技术研究所(IST)的研究人员在Nature Communications上发表了两篇关于细胞过程计算机控制的文章。结合显微镜和软件的混合实验平台使研究人员能够实时地将活细胞与控制算法连接起来。这两篇文章说明这些解决方案可以创建新的,易于重编程的细胞群行为。这种对活组织的外部控制将成为一种强大的研究工具,用于详细了解某些蛋白质的生物学作用并优化生物生产过程。

将生物学与工程学相结合的合成生物学的目标是(重新)对细胞进行编程,以便提高它们在特定任务中的表现,或者使它们能够有效地执行新任务。因此,该学科的挑战之一是绕过现有生物系统的局限性。例如,即使它们在相同培养基中生长,也很难在不同细胞中获得相同的基因表达。由于这些尖端技术,研究人员能够在很长一段时间内提供对细胞过程的同质控制。

来自巴斯德研究所和英国,CNRS和巴黎狄德罗大学以及IST奥地利的研究人员开发了两个将显微镜连接到计算机的平台。将细胞置于微流体装置中,其中可以改变化学环境或可以将细胞暴露于光刺激。计算机程序根据细胞观察到的行为和实验目标决定在化学或光照环境中进行哪些修改。计算机还通过显微镜管理图像采集及其分析,以实时量化细胞反应。

在第一篇文章中,来自InBio的研究人员 - 用于建模细胞处理单元的实验和计算方法单元(巴斯德研究所/ Inria)和来自奥地利IST的两组,由C?lin领导的遗传网络系统和合成生物学组C. Guet和由GašperTka?ik领导的生物物理学和神经科学小组利用光遗传学通过将细胞暴露于光来激活基因的表达。荧光蛋白用于测量产生的蛋白质的量。然后,使用系统模型的控制器可以基于单元的预期未来行为实时地决定应用哪些动态干扰。由于研究人员创建的计算机程序,他们可以通过各种方式单独控制每个细胞,或在几个细胞之间创建虚拟通信,以易于重新配置的顺序传播消息。“我们已经设法建立了一个平台,允许我们设计部分生物和部分虚拟的电路。这些电路的虚拟部分可以任意修改,以快速创建和探索细胞行为,甚至超出生物学上可行的范围”,Jakob Ruess解释道,第一篇文章的共同第一作者。

在第二篇文章中,InBio部门负责人GrégoryBatt和实验室Matièreetsystèmes综合体(CNRS /巴黎狄德罗大学)的Pascal Hersen(CNRS)的共同作者解释了他们如何设法将蜂窝系统置于不稳定的配置:“我们设计了一个计算机程序,旨在迫使细胞随机进行二元决策。为此,细胞被驱动到一个不稳定的区域 - 就像山脊线上的登山者 - 然后它们被留下我们观察到,如果正确选择,给定的刺激能够将不同细胞群组织到不稳定区域并将其保持在那里。这些结果有助于更清楚地了解细胞群体如何在没有个体协调的情况下共同做出有力的决策。“

这些文章中描述的科学进步是通过今天互补的两个学科之间的联盟实现的:生物学和数字科学。巴斯德研究所和Inria之间的紧密合作,以InBio联合研究小组的形式,其目的是为实现对细胞过程功能的定量理解开发方法框架,是跨学科研究结合价值的完美例证。方法学发展的实验方法。