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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(xué)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(xué)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(xué)（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.