打破合成生物學瓶頸的新程序

　　最近，研究人員創建了一種計算機程序，將向全世界打開合成生物學的一個挑戰性領域。

　　在過去的十年中，研究人員為了開發一種技術，快速、廉價地讀寫DNA，以合成和操縱多肽和蛋白質，已經花費了數十億美元的成本。

　　但是，當這種技術遇到重復的基因譜時會出錯。這包括許多天然和合成的材料，適用范圍很廣，從從生物粘合劑到合成絲。就像有人與“不可能完成”的智力拼圖斗爭一樣，當大多數構建模塊看上去一樣時，合成器就難以確定哪塊遺傳片段放在哪里。

　　來自杜克大學的科學家們，根據“旅行商問題（traveling salesman problem，是數學領域中著名的問題之一）”，開發出一種免費可用的計算機程序，消除了這個障礙。合成生物學家現在可以找到最少重復的遺傳密碼，來構建他們想要研究的分子。研究人員說，他們的這一程序將使那些具有有限資源或專門知識的人，很容易地探索合成的生物材料，這些材料曾經只能用于一小部分領域。相關研究結果發表在2016年1月4日的《Nature Materials》。

　　杜克大學生物醫學工程系主任生物醫學工程教授Ashutosh Chilkoti說：“合成并處理高度重復性的多肽，是一個非常具有挑戰性且繁瑣的過程，一直是進入該領域的障礙。但是在我們新工具的幫助下，過去研究人員花費幾個月的工作，可以在線訂購（價格100美元），并在幾周內收到基因，從而使得重復性多肽變得更容易研究。”

　　每一種蛋白質和多肽都是以2個或多個氨基酸序列為基礎的。一個氨基酸（稱為密碼子）的遺傳密碼是三個DNA字母。但是，大自然有產生20個氨基酸的61個密碼子，從而意味著有多個密碼子產生一個給定的氨基酸。

　　因為合成生物學家可以從多個密碼子得到相同氨基酸，所以，他們可以通過互換不同的密碼子達到相同的效果，從而避免繁瑣的DNA重復序列。面臨的挑戰是，尋找最少的、但仍然能制造所需多肽或蛋白質的重復遺傳密碼。

　　Chilkoti說：“我一直認為，有一種潛在的解決方案，肯定有一種數學方法來弄清這一點。我以前給研究生提供了這個問題，但是沒有人愿意去解決它，因為它需要將高級數學、計算機科學和分子生物學進行特別的組合。但是Nicholas Tang是正確的人選。”

　　在對這個問題進行詳細研究后，Chilkoti實驗室的博士生Nicholas Tang發現，解決方案是一個版本的“旅行商”的數學問題。這個經典的問題是，尋求單一旅行者由起點出發，通過所有給定的需求點之后，最后再回到原點的最小路徑成本。

　　寫出算法后，Tang對它進行了測試。他創建了一份清單，包含19個流行的重復性多肽，目前正在世界各地的實驗室進行研究。將代碼通過程序后，他通過商業生物技術outfits（一項任務，對于原來的任何一個代碼都是不可能的），發送它們用于合成。

　　在沒有商業技術的幫助下，研究人員花了幾個月的時間構建了細胞用以生產正在研究的蛋白質的DNA。這是一項乏味、重復性的任務——對年輕的研究生來說不是最有吸引力。但是，如果新的程序起作用，這個過程可能會被縮短到幾周的時間，而不是等待機器完成工作。

　　當Tang收到他的DNA時，它們每個被引入活細胞，以產生像預期所希望的多肽。Chilkoti說：“他在現場一次性制造出了19種不同的聚合物。在以前，這大概要花幾十年的研究時間來制造，但是，他能夠在一個星期內完成。”

　　現在，Chilkoti和Tang正在通過一個簡單的網絡形式，研制任何人都可以在線使用的新計算程序，從而為合成生物學領域打開了一個新領域。

　　Tang說：“這一進展的確使合成生物學領域變得更為大眾化。以前，你需要有很多的專業知識和耐心去做重復的工作，但是現在，任何人都可以在線訂購它們。我們認為，這可能會打破阻止這一領域發展的瓶頸，并希望招募更多的人進入該領域。”