Renan Marks改進一款可以設(shè)計生物電路的軟件程序

合成生物電路時，往往需要進行大量計算才能確定生物電路中的化學(xué)反應(yīng)。簡單來說，如果想要合成有應(yīng)用價值的生物電路，必須具備專業(yè)的化學(xué)知識。

現(xiàn)在，巴西聯(lián)邦南馬托格羅索州大學(xué)（Federal University of South Mato Grosso）計算學(xué)院兼職教授 Renan Marks 改進了一款可以設(shè)計生物電路（Biological circuits）的軟件程序，即便沒有化學(xué)知識儲備的人也能利用該軟件，輕松設(shè)計出生物電路。

這項研究論文發(fā)表已于近日發(fā)表在《IEEE 設(shè)計與測試》上，論文詳細闡述了這款合成生物電路軟件的研究進展。

生物電路的化學(xué)反應(yīng)，指的是在電路設(shè)計過程中 DNA 鏈的合成和斷裂。具體來說，就是研究人員設(shè)計的合成 DNA 鏈，以恰當(dāng)濃度在試管內(nèi)進行混合，然后形成模擬電路，當(dāng)分子鏈接形成和打破的時候，進行加、減、乘運算，然后將其轉(zhuǎn)換為可以在 DNA 鏈中合成的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

Marks 的團隊此前開發(fā)了一款名為 DNAr 的軟件程序，用戶可以用其模擬各種化學(xué)反應(yīng)、設(shè)計新生物電路。在這項研究中，研究團隊對該軟件進行了改進，他們?yōu)?DNAr 開發(fā)了一個擴展程序 ——DNAr-Logic，利用這款擴展程序科學(xué)家可以設(shè)計更高級、更復(fù)雜的生物電路。

具體來說，科學(xué)家只需描述想設(shè)計的生物電路，輸入 DNAr-Logic，就能自動轉(zhuǎn)化為可以在 DNA 鏈中合成的化學(xué)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。

為了證明新軟件的有效性，Marks 的團隊進行了一系列的測試。Marks 說：“結(jié)果表明，DNAr-Logic 能夠設(shè)計多種類型的生物電路，產(chǎn)生多達 600 多種化學(xué)反應(yīng)?？傊珼NAr-Logic 可以滿足設(shè)計、模擬和測試生物電路等需求?！?/p>

在 DNAr-Logic 的幫助下，科學(xué)家在設(shè)計生物電路時，可以把更多的精力放在對生物電路的優(yōu)化上，而不是擔(dān)心化學(xué)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的計算和細節(jié)。

“不懂化學(xué)知識的科學(xué)家也可以使用 DNAr-Logic 設(shè)計和模擬生物電路 ，同時也不需要手寫數(shù)百個反應(yīng)和微分方程來模擬生物電路的動態(tài)行為。這款軟件可以幫科學(xué)家‘減負’，讓他們可以從大量復(fù)雜的化學(xué)計算中脫身出來”，Marks 這樣描述新擴展程序的優(yōu)勢。

不過，在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，想要完全依賴 DNAr-Logic 設(shè)計生物電路，還面臨著一些問題。

例如， 由松散的 DNA 鏈組成的生物電路可能會發(fā)生 “泄漏反應(yīng)”（leak reactions），這是指某些 DNA 鏈可能會與溶液中的其他 DNA 鏈發(fā)生反應(yīng)，從而導(dǎo)致錯誤 “計算”。

對此，Marks 表示：“雖然諸如‘泄漏反應(yīng)’之類的問題仍然需要解決，但是合成生物電路有巨大潛力，這個新的研究領(lǐng)域開辟了無限的可能性。我們計劃以 DNAr 為框架，對軟件進行新的擴展，以協(xié)助研究和開發(fā)基于算法的新生物電路，這些算法可以幫助醫(yī)護人員更快地診斷疾病，以及更有效地治療疾病。”

盡管基于合成生物學(xué)的生物電路技術(shù)還處于早期階段，但其具有廣泛而重要的醫(yī)學(xué)應(yīng)用。生物電路技術(shù)可以用于診斷癌癥、檢測內(nèi)部損傷，如創(chuàng)傷性腦損傷、失血性休克等。

生物電路技術(shù)還可以于藥物遞送，如生物電路技術(shù)修飾過的細胞，可以精確、定量地靶向病灶。

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