洛桑联邦理工学院的科学家们精心设计了一种模仿电子带通滤波器的生物系统，这是一种新型传感器，可以彻底改变合成生物学中的自我调节生物机制。
合成生物学有望将生物系统增强和修改为无数新技术，造福社会。这种生物学工程方法已经在药物输送、农业和能源生产领域取得了成效。
在《自然化学生物学》杂志上发表的一篇论文中，EPFL工程学院蛋白质设计和免疫工程实验室(LPDI)的研究人员在设计更具性能的生物系统方面迈出了重要一步。
通过观察细胞中复杂的自我调节行为并从电气工程中汲取灵感，他们使用修饰的蛋白质作为硬件设计了一种复杂的生物开关。
LPDI的目标是开发模仿甚至超越大自然数百万年进化所提供的生物功能。“我们在蛋白质设计方面使用了多种方法，更具体地说是计算蛋白质设计，以便设计新的分子硬件，”LPDI负责人兼该论文的高级作者BrunoCorreia说。这种新的生物硬件——以工程蛋白质的形式——可以被放置在活细胞中，并对工程师可以密切控制的刺激做出反应。
该实验室的方法首先是观察细胞如何发挥作用，然后模仿或调整这些功能以用于其他用途。大自然最擅长的事情之一就是自我调节。例如，当细胞需要更多离子时，它会激活允许离子流入细胞的机制。一旦细胞的需求得到满足并且达到了称为稳态的某种平衡，它就可以关闭离子流。
这种生物机制在概念上可以比作电子产品中带通滤波器的选择性性质。带通滤波器根据特定的频率范围区分信号，只允许指定频段内的信号通过，而电池则根据其当前的需要选择性地允许离子进入或退出。
尽管这种比较是一种简化，但由于生物过程是由复杂的生化反馈而不是二进制信号控制的，因此它同样实现了选择性渗透——类似于带通滤波器如何选择性地允许某些频率而排除其他频率。
目前合成生物学的一个局限性是，到目前为止，还没有任何设计能够提供这种类型的功能——要么全有，要么全无，只有“开”或“关”。想想青霉素的输送。由于没有基于生物传感器的药物剂量调节系统，糖尿病患者需要持续监测胰岛素水平。
SailanShui在LPDI的工作重点是这些类型的生物传感器和开关，它们可以极大地改善药物输送和其他生物系统。Correia解释道：“Shui对开/关范例并不满意，决定设计一种能够响应细胞内部和外部环境变化的开关。因此，她从带通滤波器的功能中获得灵感，并设计了其生物等效物。”
为了在生物系统中创造这种新功能，该团队设计了蛋白质并将其插入活细胞中。在生物学中，功能源于形式。Correia和Shui观察了折叠蛋白的结构及其对细胞内自我调节功能的影响。然后，他们创建了计算模型，可以根据这些观察结果充当带通滤波器。
一旦使用计算机模拟验证了数字设计，他们就开始通过操纵DNA和氨基酸配置来构建蛋白质结构。最后，他们在细胞培养物中测试了该设计。结果是决定性的。他们本着开放研究的精神与研究界分享他们的设计，很可能会被世界各地的研究人员以尚未预见的方式使用。
作为合成生物学中的假设应用，研究人员可以创建一个与电子带通滤波器类似的系统，根据血糖水平调节胰岛素输送。工程蛋白质将充当传感器，检测高血糖并触发胰岛素释放，直到水平恢复正常。
这将使胰岛素剂量自动化，有可能改善糖尿病管理并减少频繁监测的需要。这样的系统将代表合成生物学在治疗应用方面的重大进步。
这项基础研究对于开发未来合成生物学的工具、构建模块和硬件至关重要。“我们有明确的方法论，但也拥抱科学的偶然性。我实验室的科学家利奥·谢勒(LeoScheller)有远见地理解了这项工作的重要性。这是团队的努力，”科雷亚说。这一团队的努力使该领域向设计更好的药物输送技术、更高效的生物反应器，甚至全新形式的生物实体又迈进了重要一步。
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