Synthetic biological circuit
सिंथेटिक बायोलॉजिकल सर्किट सिंथेटिक बायोलॉजी का एक अनुप्रयोग है जहां एक कोशिका के अंदर जैविक भागों को इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में देखे गए तार्किक कार्यों को करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। अनुप्रयोग केवल उत्पादन को प्रेरित करने से लेकर जी. एफ. पी. जैसे मापने योग्य तत्व को मौजूदा प्राकृतिक जैविक परिपथ में जोड़ने से लेकर कई भागों की पूरी तरह से नई प्रणालियों को लागू करने तक होते हैं। सिंथेटिक जीवविज्ञान का लक्ष्य ट्यूनेबल और विशिष्ट भागों, या मॉड्यूल की एक श्रृंखला उत्पन्न करना है, जिसके साथ किसी भी वांछनीय सिंथेटिक जैविक परिपथ को आसानी से डिजाइन और कार्यान्वित किया जा सकता है। ये परिपथ कोशिकीय कार्यों को संशोधित करने, पर्यावरणीय स्थितियों के लिए कोशिकीय प्रतिक्रियाओं को बनाने या कोशिकीय विकास को प्रभावित करने के लिए एक विधि के रूप में काम कर सकते हैं। कोशिकीय प्रणालियों में तर्कसंगत, नियंत्रणीय तर्क तत्वों को लागू करके, शोधकर्ता उपयोगी कार्यों की एक विशाल श्रृंखला को करने के लिए जीवित प्रणालियों का उपयोग इंजीनियर "जैविक मशीनों" के रूप में कर सकते हैं। इतिहास विस्तार से अध्ययन किया गया पहला प्राकृतिक जीन परिपथ लाख ऑपरॉन था। दो-चीनी मीडिया पर ई. कोलाई के डायऑक्सिक विकास के अध्ययन में, जैक्स मोनोड और फ्रेंकोइस जैकब ने पाया कि E.coli अधिमानतः लैक्टोज चयापचय पर स्विच करने से पहले अधिक आसानी से संसाधित ग्लूकोज का उपभोग करता है। उन्होंने पाया कि चयापचय "स्विचिंग" कार्य को नियंत्रित करने वाला तंत्र लाख ऑपरॉन पर एक दो-भाग नियंत्रण तंत्र था। जब कोशिका में लैक्टोज मौजूद होता है तो लैक्टोज को ग्लूकोज या गैलेक्टोज में बदलने के लिए एंजाइम बीटा-गैलेक्टोसिडेस का उत्पादन किया जाता है। जब कोशिका में लैक्टोज अनुपस्थित होता है तो लैक रिप्रेसर कोशिका के भीतर किसी भी अक्षम प्रक्रिया को रोकने के लिए एंजाइम β-गैलेक्टोसिडेस के उत्पादन को रोकता है। लाख ऑपरॉन का उपयोग जैव प्रौद्योगिकी उद्योग में चिकित्सीय उपयोग के लिए पुनः संयोजक प्रोटीन के उत्पादन के लिए किया जाता है। एक बहिर्जात प्रोटीन के उत्पादन के लिए जीन या जीन को लाख प्रवर्तक के नियंत्रण में एक प्लास्मिड पर रखा जाता है। प्रारंभ में कोशिकाओं को एक ऐसे माध्यम में उगाया जाता है जिसमें लैक्टोज या अन्य शर्करा नहीं होती है, इसलिए नए जीन व्यक्त नहीं होते हैं। एक बार जब कोशिकाएं अपने विकास में एक निश्चित बिंदु तक पहुंच जाती हैं, तो आइसोप्रोपाइल β-D-1-थियोगलैक्टोपाइरेनोसाइड (IPTG) जोड़ा जाता है। आई. पी. टी. जी., लैक्टोज के समान एक अणु है, लेकिन एक सल्फर बंधन के साथ जो हाइड्रोलाइजेबल नहीं है ताकि ई. कोलाई इसे पच न सके, इसका उपयोग नए प्रोटीन के उत्पादन को सक्रिय या "प्रेरित" करने के लिए किया जाता है। एक बार कोशिकाओं को प्रेरित करने के बाद, कोशिकाओं से आई. पी. टी. जी. को निकालना मुश्किल होता है और इसलिए अभिव्यक्ति को रोकना मुश्किल होता है। सिंथेटिक बायोलॉजिकल सर्किट के दो शुरुआती उदाहरण 2000 में नेचर में प्रकाशित हुए थे। एक, बोस्टन विश्वविद्यालय में काम करने वाले टिम गार्डनर, चार्ल्स कैंटर और जिम कॉलिन्स ने ई. कोलाई में "बिस्टेबल" स्विच का प्रदर्शन किया। स्विच को बैक्टीरिया के कल्चर को गर्म करके चालू किया जाता है और आई. पी. टी. जी. जोड़कर बंद कर दिया जाता है। उन्होंने अपने सिस्टम के लिए जी. एफ. पी. को एक रिपोर्टर के रूप में इस्तेमाल किया। दूसरा, माइकल एलोविट्ज़ और स्टैनिस्लास लीबलर द्वारा, दिखाया गया कि तीन दमनक जीन को एक नकारात्मक प्रतिक्रिया लूप बनाने के लिए जोड़ा जा सकता है जिसे दमनक कहा जाता है जो ई. कोलाई में प्रोटीन के स्तर के आत्मनिर्भर दोलन पैदा करता है। वर्तमान में, सिंथेटिक सर्किट सिस्टम बायोलॉजी में अनुसंधान का एक बढ़ता हुआ क्षेत्र है जिसमें हर साल प्रकाशित सिंथेटिक बायोलॉजिकल सर्किट का विवरण देने वाले अधिक प्रकाशन हैं। शिक्षा और आउटरीच को प्रोत्साहित करने में भी महत्वपूर्ण रुचि रही हैः अंतर्राष्ट्रीय आनुवंशिक रूप से इंजीनियर मशीनें प्रतियोगिता स्नातक और उच्च विद्यालय के छात्रों को अपने स्वयं के सिंथेटिक जैविक सर्किट डिजाइन करने की अनुमति देने के साधन के रूप में बायोब्रिक भागों के निर्माण और मानकीकरण का प्रबंधन करती है। रुचि और लक्ष्य सिंथेटिक जैविक परिपथों के उपयोग के लिए तत्काल और दीर्घकालिक दोनों अनुप्रयोग मौजूद हैं, जिसमें चयापचय इंजीनियरिंग और सिंथेटिक जीव विज्ञान के लिए विभिन्न अनुप्रयोग शामिल हैं। जिन लोगों ने सफलतापूर्वक प्रदर्शन किया उनमें दवा उत्पादन और ईंधन उत्पादन शामिल हैं। हालांकि, प्रत्यक्ष आनुवंशिक परिचय से जुड़े तरीके सिंथेटिक सेलुलर सर्किट के बुनियादी सिद्धांतों को लागू किए बिना स्वाभाविक रूप से प्रभावी नहीं हैं। उदाहरण के लिए, इनमें से प्रत्येक सफल प्रणाली सभी-या-कोई प्रेरण या अभिव्यक्ति को पेश करने के लिए एक विधि का उपयोग करती है। यह एक जैविक परिपथ है जहाँ उत्पाद के निर्माण, या एक प्रतिस्पर्धी मार्ग के अवरोध को सुविधाजनक बनाने के लिए एक सरल दमनक या प्रवर्तक पेश किया जाता है। हालांकि, सेलुलर नेटवर्क और प्राकृतिक परिपथ की सीमित समझ के साथ, अधिक सटीक नियंत्रण और प्रतिक्रिया के साथ अधिक मजबूत योजनाओं के कार्यान्वयन में बाधा आती है। इसी में सिंथेटिक सेलुलर सर्किट में तत्काल रुचि निहित है। कोशिकीय परिपथ को समझने में विकास से रोमांचक नए संशोधन हो सकते हैं, जैसे कि कोशिकाएं जो पर्यावरणीय उत्तेजनाओं का जवाब दे सकती हैं। उदाहरण के लिए, कोशिकाओं को विकसित किया जा सकता है जो विषाक्त परिवेश का संकेत देते हैं और कथित विष को कम करने के लिए उपयोग किए जाने वाले मार्गों को सक्रिय करके प्रतिक्रिया करते हैं। ऐसी कोशिका को विकसित करने के लिए, एक जटिल सिंथेटिक सेलुलर सर्किट बनाना आवश्यक है जो किसी दिए गए उत्तेजना के लिए उचित रूप से प्रतिक्रिया कर सकता है। यह देखते हुए कि सिंथेटिक सेलुलर सर्किट सेलुलर गतिविधियों के लिए नियंत्रण के एक रूप का प्रतिनिधित्व करते हैं, यह तर्क दिया जा सकता है कि सेलुलर मार्गों की पूरी समझ के साथ, अच्छी तरह से परिभाषित आनुवंशिक परिपथ के साथ "प्लग एंड प्ले" कोशिकाओं को इंजीनियर किया जा सकता है। यह व्यापक रूप से माना जाता है कि यदि भागों का एक उचित टूलबॉक्स उत्पन्न किया जाता है, तो सिंथेटिक कोशिकाओं को केवल कोशिका के अस्तित्व और प्रजनन के लिए आवश्यक मार्गों को लागू करते हुए विकसित किया जा सकता है। इस कोशिका से, एक न्यूनतम जीनोम कोशिका के रूप में सोचा जाने के लिए, एक प्रभावी प्रतिक्रिया प्रणाली के लिए उपयुक्त सिंथेटिक सर्किटरी के साथ एक अच्छी तरह से परिभाषित मार्ग बनाने के लिए टूलबॉक्स से टुकड़े जोड़े जा सकते हैं। बुनियादी ग्राउंड अप निर्माण विधि और मानचित्रित सर्किटरी टुकड़ों के प्रस्तावित डेटाबेस के कारण, कंप्यूटर या इलेक्ट्रॉनिक सर्किट को मॉडल करने के लिए उपयोग की जाने वाली तकनीकों का उपयोग आसानी से समस्या निवारण और भविष्यसूचक व्यवहार और पैदावार के लिए कोशिकाओं और मॉडल कोशिकाओं को फिर से डिजाइन करने के लिए किया जा सकता है। उदाहरण सर्किट ऑसिलेटर दमनक स्तनधारी ट्यूनेबल सिंथेटिक ऑसिलेटर बैक्टीरियल ट्यूनेबल सिंथेटिक ऑसिलेटर युग्मित बैक्टीरियल ऑसिलेटर वैश्विक रूप से युग्मित बैक्टीरियल ऑसिलेटर एलोविट्ज़ आदि। और फंग एट अल। ऑसिलेटरी सर्किट बनाए गए जो जीन उत्पाद अभिव्यक्ति का समय-निर्भर ऑसिलेशन बनाने के लिए कई स्व-विनियमन तंत्रों का उपयोग करते हैं। बिस्टेबल स्विच टॉगल-स्विच गार्डनर आदि। एक अस्थिर तरीके से कोशिकाओं को नियंत्रित करने में सक्षम एक टॉगल स्विच के कार्यान्वयन को बनाने के लिए दो नियंत्रण इकाइयों के बीच पारस्परिक दमन का उपयोग किया गयाः क्षणिक उत्तेजना जिसके परिणामस्वरूप लगातार प्रतिक्रियाएं होती हैं। तार्किक प्रचालक एनालॉग ट्यूनर नकारात्मक प्रतिक्रिया और समान प्रवर्तकों का उपयोग करके, रैखिक जीन परिपथ एक समान जीन अभिव्यक्ति लागू कर सकते हैं जो बाह्य कोशिकीय रासायनिक प्रेरक सांद्रता पर रैखिक रूप से निर्भर करता है। जीन अभिव्यक्ति विषमता के नियंत्रक संश्लेषित जीन परिपथ जीन अभिव्यक्ति विषमता को नियंत्रित कर सकते हैं जिसे जीन अभिव्यक्ति माध्य से स्वतंत्र रूप से नियंत्रित किया जा सकता है। अन्य इंजीनियर सिस्टम इंजीनियर सिस्टम विभिन्न नियंत्रण तंत्रों के संयोजन के कार्यान्वयन का परिणाम हैं। एक सीमित गणना तंत्र को एक पल्स-नियंत्रित जीन कैस्केड द्वारा लागू किया गया था और तर्क तत्वों के अनुप्रयोग से कोशिकाओं की आनुवंशिक "प्रोग्रामिंग" को सक्षम बनाता है जैसा कि ताबोर एट अल के शोध में किया गया था, जिसने एक प्रकाश संवेदी जीवाणु किनारे का पता लगाने वाले कार्यक्रम को संश्लेषित किया था। सर्किट डिजाइन कृत्रिम जीन संश्लेषण में हाल के विकास और उद्योग के भीतर प्रतिस्पर्धा में इसी वृद्धि के कारण जीन संश्लेषण की कीमत और प्रतीक्षा समय में महत्वपूर्ण गिरावट आई है और सर्किट डिजाइन में उपयोग की जाने वाली विधियों में सुधार करने में मदद मिली है। इस समय, ज्ञात कई जीन अंतःक्रियाओं और गणितीय मॉडलों के अपर्याप्त संगठन के कारण परिपथ डिजाइन में धीमी गति से सुधार हो रहा है। जैविक परिपथ पर लागू छवियों, पाठ और प्रोग्रामिंग भाषा के माध्यम से परिपथ के मल्टीमीडिया प्रतिनिधित्व प्रदान करने के लिए कंप्यूटर-एडेड डिज़ाइन (सीएडी) सॉफ्टवेयर लागू करके इस समस्या का समाधान किया जा रहा है। कुछ अधिक प्रसिद्ध सीएडी कार्यक्रमों में जेनोकेड, क्लोथो फ्रेमवर्क और जे5 शामिल हैं। जिनोकैड व्याकरण का उपयोग करता है, जो या तो मुक्त स्रोत हैं या उपयोगकर्ता द्वारा उत्पन्न "नियम" हैं जिनमें उपलब्ध जीन और प्रतिरूपण जीवों के लिए ज्ञात जीन अंतःक्रियाएं शामिल हैं। क्लॉथो फ्रेमवर्क बायोब्रिक मानक नियमों का उपयोग करता है। संदर्भ बाहरी लिंक जीन विनियमनः एक सर्किट इंजीनियरिंग अनुशासन की ओर सिंथेटिक आनुवंशिक ऑसिलेटर सिंथेटिक जीव विज्ञान