EPFL的科学家们设计了一个模仿电子带通滤波器的生物系统，这种新型传感器可以彻底改变合成生物学中自我调节的生物机制。
合成生物学有希望增强和修改生物系统，使之成为无数造福社会的新技术。这种生物学的工程方法已经在药物输送、农业和能源生产领域获得了好处。
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)的研究人员在设计性能更好的生物系统方面迈出了重要的一步。
通过观察细胞中复杂的自我调节行为，并从电子工程中获得灵感，他们设计了一种复杂的生物开关，使用修饰的蛋白质作为硬件。
LPDI的目标是开发生物功能，模仿甚至超越大自然在数百万年的进化中提供的功能。“我们在蛋白质设计方面使用了许多方法，更具体地说，是计算蛋白质设计，以设计新的分子硬件，”LPDI负责人、该论文的资深作者布鲁诺·科雷亚说。这种新的生物硬件——以工程蛋白的形式——可以被放置在活细胞中，并对工程师可以严密控制的刺激做出反应。
该实验室的方法首先是观察细胞的功能，并模仿或调整这些功能用于其他用途。大自然做得非常好的一件事就是自我调节。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。一旦细胞的需要得到满足，并且达到了一定的平衡，即体内平衡，它就可以关闭离子流动。
这种生物机制在概念上可以比作电子学中带通滤波器的选择性。带通滤波器根据特定的频率范围区分信号，只允许指定频带内的信号通过，而细胞则根据当前需要选择性地允许离子进入或退出。
虽然这种比较是一种简化，因为生物过程是由复杂的生化反馈而不是二进制信号控制的，它类似地实现了选择性渗透——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限制是，到目前为止，还没有设计提供这种功能——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。
Sailan Shui在LPDI的工作主要集中在这些类型的生物传感器和开关上，这些传感器和开关可以极大地改善药物输送和其他生物系统。Shui并不满足于开/关模式，他决定设计一种开关，可以对细胞内部和外部环境的变化做出反应。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，”科雷亚解释说。
为了在生物系统中创造这种新功能，研究小组设计了蛋白质并将其插入活细胞中。在生物学中，功能来源于形式。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，他们根据这些观察结果创建了可能作为带通滤波器的计算模型。
一旦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，他们在细胞培养中测试了这种设计。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一个假设应用，研究人员可以创建一个类似于电子带通滤波器的系统，根据血糖水平调节胰岛素的输送。工程蛋白将充当传感器，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，减少频繁监测的需要。这种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合成生物学未来的工具、构建模块和硬件至关重要。“我们有明确的方法，但也接受科学的意外发现。正是我实验室的科学家里奥·谢勒(Leo Scheller)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朝着设计更好的药物输送技术、更有效的生物反应器，甚至是全新形式的生物实体迈出了重要的一步。
