人工基因电路模拟细胞如何选择“命运”

据最新一期《科学》杂志报道，美国加州理工学院的研究人员开发了一种人工基因电路，可以显示细胞如何选择自己的“命运”。

我们每个人最初都是一个细胞，然后增殖成数万亿个细胞，形成人体。虽然每个细胞都有完全相同的遗传信息，但每个细胞也扮演着特殊的角色：神经元控制我们的思想和行为，而免疫细胞则学习识别和抵抗疾病，皮肤细胞保护人体免受外界伤害，肌肉细胞使人体能够活动等等。

所有这些细胞类型都有一个共同的起源，即多能干细胞。干细胞可以变成任何类型的细胞，就像孩子如何成长为成人，如何选择职业和人生道路等。干细胞如何选择自己的命运取决于细胞基因组中复杂的反应链，即遗传回路。

研究人员开发了一个名为“多因子”的人工遗传回路，该回路显示了一组相对较小的蛋白质成分及其相互作用如何通过一种称为“多稳定性”的特性来建立和控制更多的细胞状态。多因子使研究人员能够设计一个单一的活细胞，它可以改变成不同的状态，每个状态都是稳定的，但可以执行不同的功能。——类似于人体内发生的情况。

多因子环由三个基因组成，每个基因编码一个相应的转录因子(一种启动基因表达的蛋白质)，并用不同颜色的蛋白质标记：红色、绿色或蓝色。这三种蛋白质中的每一种都是从与自己的DNA结合开始的，也可以相互粘附来阻断对方的活动。

正如数学模型所预测的那样，多元素电路可以使一个细胞以多达七种不同的状态存在(红、绿、蓝蛋白的不同组合)，并使细胞以七种不同色调中的任何一种发出光：红、绿、蓝、青、白、品红或黄。一旦细胞处于这些状态之一，它将保持这种状态，除非它被故意干扰。当一个细胞被“锁定”在一种命运(颜色)中时，它也会在生长和分裂过程中将这种命运传递给它的子细胞。

与难以控制的自然细胞回路不同，多因子被设计成用一些药物诱导细胞在七种状态之间切换。

加州理工学院生物学和生物工程教授迈克尔埃洛维茨说，这项工作展示了如何从头开始设计和构建人工电路，以研究基本的生物现象。fuzzy te的灵感来源于自然细胞命运控制电路的特性，但它是自下而上设计的。它不仅有助于解释为什么细胞有如此多的命运，而且为拓展细胞治疗奠定了基础，利用多种细胞类型来执行更复杂的治疗功能，这是单一细胞类型所不能提供的。

不管人体有多复杂，它过去只是一个受精卵。经过10个月的奇妙旅程，它成了一种高级生活。在这个过程中，不同的细胞承担着不同的功能，它们受到某种调控程序的指挥，有序地形成多细胞生命结构。由研究人员开发的人工遗传回路“多因子”被称为平行宇宙。在每个命运的分叉处做出不同的选择，是不是就有了完全不同的“人生”？这个人工电路似乎为人类提供了一个“上帝视角”，可以看到细胞是如何在不同状态之间切换，走向不同的“生长方向”的。