EPFL科学家已经提出了一种系统的方法来研究甚至预测基因表达 - 不使用细胞。他们使用创新的定量方法测量了控制基因调控的重要参数。这使他们能够设计和构建合成生物逻辑门，有朝一日可以用来将新功能引入细胞。他们的研究刚刚在PNAS上发表。

活细胞中的基因被称为转录因子的蛋白质激活 - 或不激活 - 。这些蛋白质激活某些基因并使其他基因失活的机制在许多生物过程中起着重要作用。然而，这些机制非常复杂，科学家们花了数年时间试图解开他们的秘密。

科学家通常通过将特定的DNA序列引入细胞并观察细胞如何反应来研究基因表达。但是这种劳动密集型方法很复杂，并且可能因实验而异。在向前迈出的重要一步，由塞巴斯蒂安·马克尔(Sebastian Maerkl)领导的EPFL生物网络特征化实验室(LBNC)的科学家已经开发出一种用于研究甚至预测基因表达的定量，可复制的方法。它使用无细胞系统与高通量微流体装置相结合。他们的工作使他们能够建立一个合成的生物逻辑门，有朝一日可以用它来修改细胞功能。该研究已在PNAS上发表。

微通道和无细胞过程

该研究的合着者Nadanai Laohakunakorn解释了该方法的工作原理：“首先，我们从细胞内部提取物质。这种“无细胞”系统由细胞用来进行正常生物过程的酶和化学物质组成。有趣的是，我们可以通过以高能磷酸盐和DNA的形式向提取物提供燃料和信息来重新启动细胞外的基因表达。因为这个过程非常类似于活细胞中发生的事情，我们可以使用我们的平台来研究一系列生物现象，而不必每次都修改活细胞。“

对于他们对基因表达的定量研究，科学家在微流体芯片上检查了数千个无细胞反应 - 即用于操纵微观量液体的装置。“我们能够测试几种不同的情景并构建合成转录因子的定量库，这使我们能够预测给定蛋白质对基因的影响，”该研究的另一位合着者Zoe Swank说。“我们的方法可以扩展到构建相当复杂的系统。”

科学家的方法有几个优点。首先，无细胞系统可以模拟细胞内的系统，但它们更简单，并且它们的机制可以用数学方式建模。这意味着它们可以通过将它们分解为更简单的部分来帮助理解更复杂的生物现象。

其次，无细胞系统是坚固的并且在冷冻(甚至冷冻干燥)后保持稳定，这允许它们大规模生产并部署在从低成本诊断到生物制剂的按需生产的应用中 - 例如作为疫苗 - 用于个性化医疗。第三，由于它们不存在，无细胞系统可用于生产超出传统生物制造方法范围的化合物。并且它们不会在实验室环境之外产生自我复制或生物污染的风险。

生物逻辑门

作为他们研究的一部分，研究人员从他们的文库中汇集了许多基因来构建生物逻辑门。在电子学中，逻辑门接收电子信号的输入，执行计算，并生成二进制输出：一或零。类似地，科学家的生物逻辑门接受转录因子的输入并产生二进制输出：基因处于(激活)或关闭(抑制)。

“活细胞中存在许多自然存在的逻辑门，用它来调节正常的生物功能，”Laohakunakorn说。“通过构建人工门，我们获得了将新功能引入细胞用于治疗目的的能力，例如。无细胞系统是朝着这个方向迈出的第一步，未来的工作可能涉及使用平台优化转录因子的设计，然后将它们直接部署在无细胞应用中，或者将它们重新引入活细胞。“