为了展示该技术，研究人员通过使用RGB灯控制细菌产生的色素，在培养板上制作了几幅彩色图像(其中一张拼写为“ MIT”)。在实验室之外，该技术还可证明对商业，制药和其他应用有用。
大肠杆菌使用类似于计算机芯片的基于蛋白质和酶的系统进行编程，具有多个不同的模块来处理光输入并产生生物输出。在计算方面，“传感器阵列”首先在红，绿或蓝光存在时被激活，然后“电路”处理该信号。然后，“资源分配器”将处理后的信息连接到实现相应生物学功能的“执行器”。
麻省理工学院生物工程学教授克里斯·沃格特(Chris Voigt)说，将新的大肠杆菌看作是微生物木偶，用彩色光代替木偶线使细菌以某种方式起作用。他说：“使用不同的颜色，我们可以控制表达的不同基因。”
该论文的共同作者是前博士后耶稣·费尔南德斯·罗德里格斯，费利克斯·摩泽尔和宋美蓉。
合成生物学创新融合在一起
2005年，共同主持麻省理工学院合成生物学中心的沃伊特(Voigt)和其他研究人员通过将光传感器与产生黑色色素的基因一起编程到大肠杆菌菌株中，率先开发了“细菌照相机”。当光线通过模板照射到细菌覆盖的板上时，微生物形成了黑白图像。当时，这项壮举仅需要四个基因和三个启动子(启动基因转录的DNA区域)即可完成工作。
从那时起，出现了新的合成生物学工具，例如基因组编辑系统CRISPR，为研究人员提供了更大的可能性。与2005年的系统相比，新的RGB系统(第一个使用三种颜色)由18个基因和14个启动子(除其他部分外)以及46,000个碱基对DNA组成。
但是随着复杂性的增加，挑战也越来越大。例如，由于研究人员正在研究一种可以检测三种不同颜色的传感器阵列，因此他们必须在微生物程序中包含一种蛋白质，该蛋白质可以防止两个未使用的传感器的基因转录。
用计算术语来说，这称为“非门”，仅当输入中没有信号时才产生输出信号(在这种情况下为基因抑制)的电路。例如，对于红灯下的细菌，“非”门将释放绿色和蓝色传感器上抑制基因的蛋白质，从而将其关闭。
大约五年前，沃伊特(Voigt)领导了一个对微生物进行工程设计以响应红色和绿色光的团队。添加第三个传感器是这项新研究的主要挑战。“在细胞内部，您添加的所有新蛋白质传感器都相互干扰，因为所有分子都在细胞周围碰撞，它们都需要保持细胞的存活和快乐。他补充说，每增加一个传感器，难度就会成倍增加。”
在这方面，Voigt补充说，系统的资源分配器是一项新功能，它还可以充当断路器，如果三个传感器同时打开，则会关闭传感器，从而使单元过载。
从基因工程的角度来看，四子系统配置是“这项工作的最大影响，” Voigt说。每个子系统-传感器阵列，电路，资源执行器和执行器-在组装成最终结构之前都进行了隔离设计，构建和优化。研究人员说，这种简化的模块化过程可以为将来进行更复杂的生物学程序铺平道路。
一般来说，Voigt将新系统视为十年来合成生物学创新的高潮。他说：“这代表了我们目前的位置，以及过去十年中需要整合在一起的所有部分，以创建如此规模和复杂性的系统。”
制作“迪斯科细菌”
为了制作新的彩色图像，研究人员对细菌进行了编程，使其产生与红色，绿色或蓝色的光相同的色素。在孵化器中，研究人员用遗传上相同的细菌覆盖培养皿。Voigt说：“您可以把它想成未显影的胶片，上面放有细菌的培养皿，而照相机就是培养箱。”
在培养箱的顶部是一个孔，上面投射有模版图像。放在盘子上。随着时间的流逝，细菌生长，产生一种酶，该酶产生一种色素，它们对应于它们所照亮的RBG颜色。除了MIT徽标外，研究人员还制作了各种图案的图像，彩色水果和电子游戏角色Super Mario。
工程细菌还可以用于在工业发酵过程中快速启动和停止微生物的化学反应，这些过程用于制造药品和其他产品。如今，控制此类化学反应需要将不同的化学添加剂倾倒到大型发酵桶中，这既耗时又效率低下。
研究人员在其论文中以小规模展示了这种“按需化学品”的概念。他们使用CRISPR基因编辑工具，对三个产生乙酸盐的基因进行了修饰，而乙酸盐是各种生物过程中有时不需要的副产物，从而可以减少对RGB灯的化学反应。
研究人员在论文中写道：“单独地以及相互结合，不同颜色的光会减少乙酸盐的产生而不会牺牲生物量的积累。”
Voigt为这些工业微生物创造了一个有趣的名称。他说：“我将它们称为'迪斯科细菌'，因为发酵罐内部闪烁着不同颜色的光并控制着细胞。”
Voigt补充说，未来的应用可能是控制细胞以形成各种材料和结构。研究人员，包括麻省理工学院的一些研究人员，已经开始对电池进行编程，以组装成活的材料，有一天可以用来设计太阳能电池，自愈材料或诊断传感器。
Voigt说：“当您看到世界并看到所有不同的材料时，真是太神奇了。”“诸如纤维素，丝蛋白，金属，纳米线之类的东西以及诸如器官之类的生物材料之类的东西，自然界中所有这些不同的东西，我们都是从细胞生长成不同的模式而得到的。您可以想象使用不同颜色的光告诉细胞在构建该材料时应如何生长。”
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