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現(xiàn)代計算是基于時序邏輯（sequential logic, 也譯作順序邏輯）的，在這種時序邏輯中，一種電路的狀態(tài)取決于當前的輸入和輸入歷史（存儲器）。在活細胞內(nèi)執(zhí)行時序邏輯將使得它能夠經(jīng)編程后經(jīng)歷不同的離散狀態(tài)。比如，細胞能夠經(jīng)設(shè)計后產(chǎn)生一種多細胞結(jié)構(gòu)或者確定一種材料的多步驟制造方法的順序。一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是時序邏輯需要進行調(diào)節(jié)反饋，這已證實是很難設(shè)計和擴展的。
在一項新的研究中，來自美國麻省理工學院和布羅德研究所的研究人員提出了一種定量方法來設(shè)計編碼時序邏輯的調(diào)節(jié)電路。這種方法使用非門（NOT gate）作為調(diào)節(jié)的核心單元，在這種核心單元中，一種輸入啟動子（input promoter）促進阻遏蛋白（repressor protein）表達，從而關(guān)閉一種輸出啟動子（output promoter）。每個邏輯門的特征在于測量它的響應(yīng)函數(shù)，換句話說，改變輸入如何影響穩(wěn)態(tài)下的輸出。在數(shù)學上，這些響應(yīng)函數(shù)被視為零增長等值線（nullcline），并且來自非線性動力學（相平面和分叉分析）的工具被用來預(yù)測邏輯門的組合如何導(dǎo)致多種穩(wěn)態(tài)和動態(tài)變化。這些調(diào)節(jié)電路能夠連接到對環(huán)境信息作出反應(yīng)的遺傳傳感器上。這可用于實現(xiàn)細胞檢查點控制，在這種檢查點控制中，細胞在繼續(xù)進展到下一個狀態(tài)之前等待正確的信號。用來指導(dǎo)大腸桿菌經(jīng)歷線性或循環(huán)的狀態(tài)序列的電路也被構(gòu)建出。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在2018年9月21日的Science期刊上，論文標題為“Cellular checkpoint control using programmable sequential logic”。
圖片來自Science, doi:10.1126/science.aap8987。
首先，將成對的阻遏蛋白組合在一起構(gòu)建出簡單的時序邏輯單元：置位-復(fù)位（set-reset, SR）鎖存器，用于記錄信息的數(shù)字位。SR鎖存器能夠很容易地彼此連接在一起，并且也能夠很容易地連接到傳感器上，這是因為它們的設(shè)計使得輸入和輸出都是啟動子。每個SR鎖存器需要兩個阻止彼此表達的阻遏蛋白。通過相平面分析，總共11個SR鎖存器被設(shè)計出來。通過僅使用經(jīng)驗性的非門響應(yīng)函數(shù)，這種計算準確地預(yù)測了多個穩(wěn)態(tài)的存在。由41個電路組成的一組電路被構(gòu)建出來，從而將這些SR鎖存器連接到對介質(zhì)中的小分子作出反應(yīng)的不同組合的傳感器上。經(jīng)證實，這些電路在多次細胞分裂后仍可靠地保持它們的狀態(tài)超過48小時，僅當對這些與這組電路連接在一起并讓SR鎖存器的輸入復(fù)位的傳感器作出反應(yīng)時，才切換它們的狀態(tài)。
通過組合多個SR鎖存器和附加的反饋回路構(gòu)建出更大的電路。在電子集成電路中常見的門控數(shù)據(jù)（D）鎖存器也被構(gòu)建出，在這種門控數(shù)據(jù)鎖存器中，個輸入設(shè)置電路的狀態(tài)，第二個輸入鎖定這種狀態(tài)。在單個細胞中可將多達三個SR鎖存器（基于六個阻遏蛋白）組合在一起，從而允許可逆地儲存3個比特（bit）的數(shù)據(jù)。這些電路的性能與與邏輯門組件的響應(yīng)和分叉分析所預(yù)測的性能非常接近。
設(shè)計出的電路用于實現(xiàn)細胞檢查點控制，在這種檢查點控制中，細胞在一種狀態(tài)下無限期地等待，直到接收到正確的信號后才進展到下一種狀態(tài)。能夠?qū)⑦@種進展設(shè)計為循環(huán)的，類似于細胞周期那樣，在此期間細胞經(jīng)歷一系列狀態(tài)直至返回到起始狀態(tài)。每種狀態(tài)的時間長度是不確定的。
總之，這項研究通過依據(jù)簡單的規(guī)則將可靠的調(diào)節(jié)單元組合在一起，從而展示了在細胞中實現(xiàn)時序邏輯電路。這種方法有利于設(shè)計自動化軟件，這種軟件能夠使用這些規(guī)則來將邏輯門組合在一起，從而構(gòu)建出更大的電路。這為建立具有反饋回路的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)提供了可設(shè)計的途徑，這些調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)對許多細胞功能是至關(guān)重要的并且在自然網(wǎng)絡(luò)中是無處不在的。這代表著在細胞內(nèi)執(zhí)行計算方面取得了一項關(guān)鍵的進展。（生物谷 ）
參考資料：
Lauren B. Andrews1,2,*, Alec A. K. Nielsen2, Christopher A. Voigt. Cellular checkpoint control using programmable sequential logic. Science, 21 Sep 2018, 361(6408):eaap8987, doi:10.1126/science.aap8987.
David S. Glass, Uri Alon. Programming cells and tissues. Science, 21 Sep 2018, 361(6408):1199-1200, doi:10.1126/science.aav2497.
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