Synthetic biological circuit
સિન્થેટિક બાયોલોજિકલ સર્કિટ્સ એ સિન્થેટિક બાયોલોજીનો ઉપયોગ છે જ્યાં કોષની અંદરના જૈવિક ભાગો ઇલેક્ટ્રોનિક સર્કિટ્સમાં જોવા મળતા તાર્કિક કાર્યો કરવા માટે રચાયેલ છે. એપ્લિકેશન્સ ફક્ત ઉત્પાદનને પ્રેરિત કરવાથી લઈને હાલના કુદરતી જૈવિક સર્કિટમાં જી. એફ. પી. જેવા માપી શકાય તેવા તત્વને ઉમેરવા, ઘણા ભાગોની સંપૂર્ણપણે નવી પ્રણાલીઓનો અમલ કરવા સુધીની શ્રેણી ધરાવે છે. કૃત્રિમ જીવવિજ્ઞાનનો ધ્યેય ટ્યુન કરી શકાય તેવા અને લાક્ષણિક ભાગો અથવા મોડ્યુલોની શ્રેણી પેદા કરવાનો છે, જેની સાથે કોઈપણ ઇચ્છનીય કૃત્રિમ જૈવિક સર્કિટ સરળતાથી ડિઝાઇન અને અમલ કરી શકાય છે. આ સર્કિટ્સ સેલ્યુલર કાર્યોમાં ફેરફાર કરવા, પર્યાવરણીય પરિસ્થિતિઓમાં સેલ્યુલર પ્રતિક્રિયાઓ બનાવવા અથવા સેલ્યુલર વિકાસને પ્રભાવિત કરવાની પદ્ધતિ તરીકે કામ કરી શકે છે. સેલ્યુલર પ્રણાલીઓમાં તર્કસંગત, નિયંત્રિત કરી શકાય તેવા તર્ક તત્વોનો અમલ કરીને, સંશોધકો ઉપયોગી કાર્યોની વિશાળ શ્રેણી કરવા માટે જીવંત પ્રણાલીઓનો ઉપયોગ એન્જિનિયર્ડ "જૈવિક મશીનો" તરીકે કરી શકે છે. ઇતિહાસ વિગતવાર અભ્યાસ કરાયેલ પ્રથમ કુદરતી જનીન સર્કિટ એ લાખ ઓપેરોન હતી. બે-ખાંડના માધ્યમો પર ઇ. કોલીની ડાયઓક્સિક વૃદ્ધિના અભ્યાસમાં, જેક્સ મોનોડ અને ફ્રાન્કોઇસ જેકોબે શોધ્યું કે E.coli લેક્ટોઝ ચયાપચય પર સ્વિચ કરતા પહેલા વધુ સરળતાથી પ્રક્રિયા કરેલ ગ્લુકોઝનો વપરાશ કરે છે. તેઓએ શોધ્યું કે મેટાબોલિક "સ્વિચિંગ" કાર્યને નિયંત્રિત કરતી પદ્ધતિ એ લાખ ઓપેરોન પર બે ભાગની નિયંત્રણ પદ્ધતિ હતી. જ્યારે કોષમાં લેક્ટોઝ હાજર હોય ત્યારે લેક્ટોઝને ગ્લુકોઝ અથવા ગેલેક્ટોઝમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે બીટા-ગેલેક્ટોસિડેઝ ઉત્સેચક ઉત્પન્ન થાય છે. જ્યારે કોષમાં લેક્ટોઝ ગેરહાજર હોય ત્યારે કોષની અંદરની કોઈપણ બિનકાર્યક્ષમ પ્રક્રિયાઓને રોકવા માટે લેક રિપ્રેસર એન્ઝાઇમ β-ગેલેક્ટોસિડેઝના ઉત્પાદનને અટકાવે છે. લાખ ઓપેરોનનો ઉપયોગ બાયોટેકનોલોજી ઉદ્યોગમાં ઉપચારાત્મક ઉપયોગ માટે રિકોમ્બિનન્ટ પ્રોટીનના ઉત્પાદન માટે થાય છે. બાહ્ય પ્રોટીન ઉત્પન્ન કરવા માટેના જનીન અથવા જનીનોને લાક પ્રમોટરના નિયંત્રણ હેઠળ પ્લાઝમિડ પર મૂકવામાં આવે છે. શરૂઆતમાં કોષો એવા માધ્યમમાં ઉગાડવામાં આવે છે જેમાં લેક્ટોઝ અથવા અન્ય શર્કરા ન હોય, તેથી નવા જનીનો વ્યક્ત થતા નથી. એકવાર કોષો તેમની વૃદ્ધિના ચોક્કસ તબક્કે પહોંચે, ત્યારે આઇસોપ્રોપીલ β-D-1-થિયોગેલેક્ટોપાયરેનોસાઇડ (IPTG) ઉમેરવામાં આવે છે. આઇ. પી. ટી. જી., લેક્ટોઝ જેવું જ એક પરમાણુ છે, પરંતુ સલ્ફર બોન્ડ સાથે જે હાઇડ્રોલાઇઝેબલ નથી જેથી ઇ. કોલી તેને પચાવી ન શકે, તેનો ઉપયોગ નવા પ્રોટીનના ઉત્પાદનને સક્રિય કરવા અથવા "પ્રેરિત" કરવા માટે થાય છે. એકવાર કોષો પ્રેરિત થઈ જાય પછી, કોષોમાંથી આઇ. પી. ટી. જી. ને દૂર કરવું મુશ્કેલ છે અને તેથી અભિવ્યક્તિને રોકવી મુશ્કેલ છે. સિન્થેટિક બાયોલોજિકલ સર્કિટના બે પ્રારંભિક ઉદાહરણો 2000માં નેચરમાં પ્રકાશિત થયા હતા. એક, બોસ્ટન યુનિવર્સિટીમાં કામ કરતા ટિમ ગાર્ડનર, ચાર્લ્સ કેન્ટોર અને જિમ કોલિન્સ દ્વારા, ઇ. કોલીમાં "બિસ્ટેબલ" સ્વીચનું પ્રદર્શન કર્યું હતું. સ્વીચ બેક્ટેરિયાના સંવર્ધનને ગરમ કરીને ચાલુ કરવામાં આવે છે અને આઇ. પી. ટી. જી. ઉમેરીને બંધ કરવામાં આવે છે. તેઓએ તેમની સિસ્ટમ માટે પત્રકાર તરીકે જી. એફ. પી. નો ઉપયોગ કર્યો હતો. બીજું, માઈકલ એલોવિટ્ઝ અને સ્ટેનિસ્લાસ લીબલર દ્વારા, દર્શાવવામાં આવ્યું હતું કે ત્રણ રિપ્રેસર જનીનોને નકારાત્મક પ્રતિસાદ લૂપ બનાવવા માટે જોડી શકાય છે જેને રિપ્રેસિલેટર કહેવાય છે જે ઇ. કોલીમાં પ્રોટીનના સ્તરના સ્વ-ટકાઉ ઓસિલેશન ઉત્પન્ન કરે છે. હાલમાં, સિન્થેટિક સર્કિટ્સ એ દર વર્ષે પ્રકાશિત થતી સિન્થેટિક બાયોલોજિકલ સર્કિટ્સની વિગતો આપતા વધુ પ્રકાશનો સાથે સિસ્ટમ બાયોલોજીમાં સંશોધનનું ઝડપથી વિકસી રહેલું ક્ષેત્ર છે. શિક્ષણ અને પહોંચને પ્રોત્સાહન આપવામાં પણ નોંધપાત્ર રસ જોવા મળ્યો છેઃ આંતરરાષ્ટ્રીય આનુવંશિક રીતે ઇજનેરી મશીનોની સ્પર્ધા બાયોબ્રિક ભાગોના નિર્માણ અને માનકીકરણનું સંચાલન કરે છે જેથી સ્નાતક અને ઉચ્ચ શાળાના વિદ્યાર્થીઓ તેમની પોતાની કૃત્રિમ જૈવિક સર્કિટ ડિઝાઇન કરી શકે. રસ અને લક્ષ્યાંકો કૃત્રિમ જૈવિક સર્કિટના ઉપયોગ માટે તાત્કાલિક અને લાંબા ગાળાના ઉપયોગો અસ્તિત્વમાં છે, જેમાં મેટાબોલિક એન્જિનિયરિંગ અને કૃત્રિમ જીવવિજ્ઞાન માટેના વિવિધ ઉપયોગોનો સમાવેશ થાય છે. જે સફળતાપૂર્વક દર્શાવવામાં આવ્યા છે તેમાં ફાર્માસ્યુટિકલ ઉત્પાદન અને બળતણ ઉત્પાદનનો સમાવેશ થાય છે. જો કે, સીધા આનુવંશિક પરિચયને લગતી પદ્ધતિઓ કૃત્રિમ સેલ્યુલર સર્કિટના મૂળભૂત સિદ્ધાંતોનો ઉપયોગ કર્યા વિના સ્વાભાવિક રીતે અસરકારક નથી. ઉદાહરણ તરીકે, આ દરેક સફળ પ્રણાલીઓ બધા-અથવા-કોઈ ઇન્ડક્શન અથવા અભિવ્યક્તિ રજૂ કરવા માટે એક પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરે છે. આ એક જૈવિક સર્કિટ છે જ્યાં ઉત્પાદનની રચના અથવા સ્પર્ધાત્મક માર્ગના અવરોધને સરળ બનાવવા માટે એક સરળ રિપ્રેસર અથવા પ્રમોટર રજૂ કરવામાં આવે છે. જો કે, સેલ્યુલર નેટવર્ક અને કુદરતી સર્કિટરીની મર્યાદિત સમજણ સાથે, વધુ ચોક્કસ નિયંત્રણ અને પ્રતિસાદ સાથે વધુ મજબૂત યોજનાઓના અમલીકરણમાં અવરોધ આવે છે. તેમાં કૃત્રિમ સેલ્યુલર સર્કિટમાં તાત્કાલિક રસ રહેલો છે. સેલ્યુલર સર્કિટરીને સમજવામાં વિકાસ ઉત્તેજક નવા ફેરફારો તરફ દોરી શકે છે, જેમ કે કોષો જે પર્યાવરણીય ઉત્તેજનાઓને પ્રતિસાદ આપી શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, કોષો વિકસાવી શકાય છે જે ઝેરી આસપાસના વાતાવરણને સંકેત આપે છે અને માનવામાં આવતા ઝેરને ઘટાડવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતા માર્ગોને સક્રિય કરીને પ્રતિક્રિયા આપે છે. આવા કોષને વિકસાવવા માટે, એક જટિલ કૃત્રિમ સેલ્યુલર સર્કિટ બનાવવી જરૂરી છે જે આપેલ ઉત્તેજનાને યોગ્ય રીતે પ્રતિસાદ આપી શકે. આપેલ કૃત્રિમ સેલ્યુલર સર્કિટ્સ સેલ્યુલર પ્રવૃત્તિઓ માટે નિયંત્રણના એક સ્વરૂપનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, તે તર્ક આપી શકાય છે કે સેલ્યુલર માર્ગોની સંપૂર્ણ સમજણ સાથે, સારી રીતે વ્યાખ્યાયિત આનુવંશિક સર્કિટરીવાળા "પ્લગ એન્ડ પ્લે" કોષોને એન્જિનિયર્ડ કરી શકાય છે. એવું વ્યાપકપણે માનવામાં આવે છે કે જો ભાગોનું યોગ્ય ટૂલબોક્સ ઉત્પન્ન થાય, તો કૃત્રિમ કોષો વિકસાવી શકાય છે, જે કોષના અસ્તિત્વ અને પ્રજનન માટે માત્ર જરૂરી માર્ગોનો અમલ કરે છે. આ કોષમાંથી, ન્યૂનતમ જીનોમ કોષ તરીકે વિચારવા માટે, અસરકારક પ્રતિસાદ પ્રણાલી માટે યોગ્ય કૃત્રિમ સર્કિટરી સાથે સારી રીતે વ્યાખ્યાયિત માર્ગ બનાવવા માટે ટૂલબોક્સમાંથી ટુકડાઓ ઉમેરી શકાય છે. મૂળભૂત ગ્રાઉન્ડ અપ બાંધકામ પદ્ધતિ અને મેપ કરેલા સર્કિટરી ટુકડાઓના સૂચિત ડેટાબેઝને કારણે, કમ્પ્યુટર અથવા ઇલેક્ટ્રોનિક સર્કિટ્સના નમૂના બનાવવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતી તકનીકોનો ઉપયોગ સરળ સમસ્યા નિવારણ અને આગાહીયુક્ત વર્તન અને ઉપજ માટે કોષો અને મોડેલ કોષોને ફરીથી ડિઝાઇન કરવા માટે થઈ શકે છે. ઉદાહરણ સર્કિટ્સ ઓસિલેટર રીપ્રેસીલેટર સસ્તન ટ્યૂનેબલ સિન્થેટિક ઓસિલેટર બેક્ટેરિયલ ટ્યૂનેબલ સિન્થેટિક ઓસિલેટર કપલ્ડ બેક્ટેરિયલ ઓસિલેટર વૈશ્વિક રીતે કપલ્ડ બેક્ટેરિયલ ઓસિલેટર એલોવિટ્ઝ એટ અલ. અને ફંગ એટ અલ. જનીન ઉત્પાદન અભિવ્યક્તિનું સમય-આધારિત દોલન બનાવવા માટે બહુવિધ સ્વ-નિયમનકારી પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરતી ઓસિલેટરી સર્કિટ્સ બનાવવામાં આવી છે. બિસ્ટેબલ સ્વીચો ટોગલ-સ્વિચ ગાર્ડનર વગેરે. કોષોને દ્વિસ્તરીય રીતે નિયંત્રિત કરવામાં સક્ષમ ટોગલ સ્વીચનું અમલીકરણ બનાવવા માટે બે નિયંત્રણ એકમો વચ્ચે પરસ્પર દમનનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતોઃ ક્ષણિક ઉત્તેજના જે સતત પ્રતિભાવોમાં પરિણમે છે. લોજિકલ ઓપરેટર્સ એનાલોગ ટ્યુનર્સ નકારાત્મક પ્રતિસાદ અને સમાન પ્રમોટર્સનો ઉપયોગ કરીને, લીનિયરાઇઝર જનીન સર્કિટ્સ એકસમાન જનીન અભિવ્યક્તિ લાદી શકે છે જે બાહ્યકોષીય રાસાયણિક પ્રેરક સાંદ્રતા પર રેખીય રીતે આધાર રાખે છે. જનીન અભિવ્યક્તિના નિયંત્રકો વિજાતીયતા કૃત્રિમ જનીન સર્કિટ્સ જનીન અભિવ્યક્તિને નિયંત્રિત કરી શકે છે વિજાતીયતાને જનીન અભિવ્યક્તિ સરેરાશથી સ્વતંત્ર રીતે નિયંત્રિત કરી શકાય છે. અન્ય ઇજનેરી પ્રણાલીઓ ઇજનેરી પ્રણાલીઓ વિવિધ નિયંત્રણ પદ્ધતિઓના સંયોજનોના અમલીકરણનું પરિણામ છે. પલ્સ-નિયંત્રિત જનીન કાસ્કેડ દ્વારા મર્યાદિત ગણતરી પદ્ધતિ અમલમાં મૂકવામાં આવી હતી અને તર્ક તત્વોના ઉપયોગથી કોષોના આનુવંશિક "પ્રોગ્રામિંગ" ને સક્ષમ બનાવે છે, જેમ કે તાબોર એટ અલના સંશોધનમાં, જેણે પ્રકાશસંવેદનશીલ બેક્ટેરિયલ ધાર શોધ કાર્યક્રમનું સંશ્લેષણ કર્યું હતું. સર્કિટ ડિઝાઇન કૃત્રિમ જનીન સંશ્લેષણમાં તાજેતરના વિકાસ અને ઉદ્યોગની અંદર સ્પર્ધામાં અનુરૂપ વધારો જનીન સંશ્લેષણની કિંમત અને રાહ જોવાના સમયમાં નોંધપાત્ર ઘટાડો તરફ દોરી ગયો છે અને સર્કિટ ડિઝાઇનમાં ઉપયોગમાં લેવાતી પદ્ધતિઓમાં સુધારો કરવામાં મદદ કરી છે. આ ક્ષણે, જાણીતા બહુવિધ જનીન ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓ અને ગાણિતિક નમૂનાઓની અપૂરતી સંસ્થાને કારણે સર્કિટ ડિઝાઇનમાં ધીમી ગતિએ સુધારો થઈ રહ્યો છે. જૈવિક સર્કિટ પર લાગુ થતી છબીઓ, લખાણ અને પ્રોગ્રામિંગ ભાષા દ્વારા સર્કિટની મલ્ટીમીડિયા રજૂઆત પ્રદાન કરવા માટે કમ્પ્યુટર-સહાયિત ડિઝાઇન (CAD) સોફ્ટવેર લાગુ કરીને આ સમસ્યાનું સમાધાન કરવામાં આવી રહ્યું છે. કેટલાક વધુ જાણીતા CAD કાર્યક્રમોમાં જેનોકેડ, ક્લોથો ફ્રેમવર્ક અને જે5નો સમાવેશ થાય છે. જેનોકેડ વ્યાકરણનો ઉપયોગ કરે છે, જે ક્યાં તો ઓપનસોર્સ અથવા વપરાશકર્તા જનરેટ કરેલા "નિયમો" છે જેમાં ઉપલબ્ધ જનીનો અને ક્લોનિંગ સજીવો માટે જાણીતા જનીન ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓનો સમાવેશ થાય છે. ક્લોથો માળખું બાયોબ્રિક પ્રમાણભૂત નિયમોનો ઉપયોગ કરે છે. સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ જનીન નિયમનઃ સર્કિટ ઇજનેરી શાખા તરફ કૃત્રિમ આનુવંશિક ઓસિલેટર કૃત્રિમ જીવવિજ્ઞાન