Synthetic biological circuit
செயற்கை உயிரியல் சுற்றுகள் என்பது செயற்கை உயிரியலின் ஒரு பயன்பாடாகும், அங்கு ஒரு உயிரணுவின் உள்ளே உள்ள உயிரியல் பாகங்கள் மின்னணு சுற்றுகளில் காணப்பட்டதைப் போலவே தர்க்கரீதியான செயல்பாடுகளைச் செய்ய வடிவமைக்கப்பட்டுள்ளன. பயன்பாடுகள் வெறுமனே உற்பத்தியைத் தூண்டுவது முதல் ஜி. எஃப். பி போன்ற அளவிடக்கூடிய உறுப்பை ஏற்கனவே உள்ள இயற்கை உயிரியல் சுற்றுக்குச் சேர்ப்பது வரை, பல பகுதிகளின் முற்றிலும் புதிய அமைப்புகளை செயல்படுத்துவது வரை உள்ளன. செயற்கை உயிரியலின் குறிக்கோள், எந்தவொரு விரும்பத்தக்க செயற்கை உயிரியல் சுற்றையும் எளிதில் வடிவமைத்து செயல்படுத்தக்கூடிய ட்யூனபிள் மற்றும் சிறப்பியல்பு பாகங்கள் அல்லது தொகுதிகளின் வரிசையை உருவாக்குவதாகும். இந்த சுற்றுகள் செல்லுலார் செயல்பாடுகளை மாற்றியமைப்பதற்கும், சுற்றுச்சூழல் நிலைமைகளுக்கு செல்லுலார் பதில்களை உருவாக்குவதற்கும் அல்லது செல்லுலார் வளர்ச்சியை பாதிக்கும் ஒரு முறையாக செயல்பட முடியும். செல்லுலார் அமைப்புகளில் பகுத்தறிவு, கட்டுப்படுத்தக்கூடிய தர்க்க கூறுகளை செயல்படுத்துவதன் மூலம், ஆராய்ச்சியாளர்கள் வாழ்க்கை அமைப்புகளை வடிவமைக்கப்பட்ட "உயிரியல் இயந்திரங்களாக" பயன்படுத்தி பரந்த அளவிலான பயனுள்ள செயல்பாடுகளைச் செய்யலாம். வரலாறு விரிவாக ஆய்வு செய்யப்பட்ட முதல் இயற்கை மரபணு சுற்று லாக் ஓபரான் ஆகும். இரண்டு சர்க்கரை ஊடகங்களில் ஈ. கோலியின் டயக்சிக் வளர்ச்சி பற்றிய ஆய்வுகளில், ஜாக் மோனோட் மற்றும் ஃபிரான்கோயிஸ் ஜேக்கப் ஆகியோர் லாக்டோஸ் வளர்சிதை மாற்றத்திற்கு மாறுவதற்கு முன்பு E.coli மிகவும் எளிதில் பதப்படுத்தப்பட்ட குளுக்கோஸை முன்னுரிமை அளிக்கிறது என்பதைக் கண்டுபிடித்தனர். வளர்சிதை மாற்ற "மாறுதல்" செயல்பாட்டைக் கட்டுப்படுத்தும் பொறிமுறை லாக் ஓபரானில் இரண்டு பகுதி கட்டுப்பாட்டு பொறிமுறையாகும் என்பதை அவர்கள் கண்டுபிடித்தனர். உயிரணுவில் லாக்டோஸ் இருக்கும்போது, லாக்டோஸை குளுக்கோஸ் அல்லது கேலக்டோஸாக மாற்றுவதற்கு β-கேலக்டோசிடேஸ் என்சைம் உற்பத்தி செய்யப்படுகிறது. உயிரணுவில் லாக்டோஸ் இல்லாதபோது, உயிரணுக்குள் எந்தவொரு திறமையற்ற செயல்முறைகளையும் தடுக்க β-கேலக்டோசிடேஸ் நொதியின் உற்பத்தியை லாக் அடக்குபவர் தடுக்கிறது. லாக் ஓபரான் உயிரித் தொழில்நுட்பத் துறையில் சிகிச்சை பயன்பாட்டிற்காக மறுசீரமைப்பு புரதங்களை உற்பத்தி செய்ய பயன்படுத்தப்படுகிறது. வெளிப்புற புரதத்தை உற்பத்தி செய்வதற்கான மரபணு அல்லது மரபணுக்கள் லாக் ஊக்குவிப்பாளரின் கட்டுப்பாட்டின் கீழ் ஒரு பிளாஸ்மிட்டில் வைக்கப்படுகின்றன. ஆரம்பத்தில் செல்கள் லாக்டோஸ் அல்லது பிற சர்க்கரைகளைக் கொண்டிராத ஒரு ஊடகத்தில் வளர்க்கப்படுகின்றன, எனவே புதிய மரபணுக்கள் வெளிப்படுத்தப்படுவதில்லை. செல்கள் அவற்றின் வளர்ச்சியில் ஒரு குறிப்பிட்ட கட்டத்தை அடைந்தவுடன், ஐசோபிரோபில் β-D-1-தியோகலாக்டோபைரானோசைடு (IPTG) சேர்க்கப்படுகிறது. ஐபிடிஜி, லாக்டோஸைப் போன்ற ஒரு மூலக்கூறு, ஆனால் ஈ. கோலை ஜீரணிக்காதபடி நீராற்பகுப்பு செய்ய முடியாத கந்தகப் பிணைப்பைக் கொண்டுள்ளது, இது புதிய புரதத்தின் உற்பத்தியை செயல்படுத்த அல்லது "தூண்ட" பயன்படுத்தப்படுகிறது. செல்கள் தூண்டப்பட்டவுடன், செல்களில் இருந்து ஐபிடிஜியை அகற்றுவது கடினம், எனவே வெளிப்பாட்டை நிறுத்துவது கடினம். செயற்கை உயிரியல் சுற்றுகளின் இரண்டு ஆரம்ப எடுத்துக்காட்டுகள் 2000 ஆம் ஆண்டில் நேச்சர் இதழில் வெளியிடப்பட்டன. ஒன்று, பாஸ்டன் பல்கலைக்கழகத்தில் பணிபுரியும் டிம் கார்ட்னர், சார்லஸ் கேன்டர் மற்றும் ஜிம் காலின்ஸ் ஆகியோரால், ஈ. கோலியில் ஒரு "பிஸ்டபிள்" சுவிட்சை நிரூபித்தது. பாக்டீரியாவின் கலாச்சாரத்தை சூடாக்குவதன் மூலம் சுவிட்ச் இயக்கப்படுகிறது மற்றும் ஐபிடிஜி சேர்ப்பதன் மூலம் அணைக்கப்படுகிறது. அவர்கள் தங்கள் அமைப்புக்கு ஜி. எஃப். பி. யை ஒரு நிருபராகப் பயன்படுத்தினர். இரண்டாவது, மைக்கேல் எலோவிட்ஸ் மற்றும் ஸ்டானிஸ்லாஸ் லீப்லர் ஆகியோரால், மூன்று அடக்குமுறை மரபணுக்களை இணைத்து, ஈ. கோலியில் புரத அளவுகளின் தன்னிறைவு ஊசலாட்டங்களை உருவாக்கும் அடக்குமுறை என்று அழைக்கப்படும் எதிர்மறை பின்னூட்ட சுழற்சியை உருவாக்க முடியும் என்பதைக் காட்டியது. தற்போது, செயற்கை சுற்றுகள் ஒவ்வொரு ஆண்டும் வெளியிடப்படும் செயற்கை உயிரியல் சுற்றுகளை விவரிக்கும் கூடுதல் வெளியீடுகளுடன் அமைப்புகள் உயிரியலில் வளர்ந்து வரும் ஆராய்ச்சிப் பகுதியாகும். கல்வி மற்றும் அணுகுமுறையை ஊக்குவிப்பதில் குறிப்பிடத்தக்க ஆர்வம் உள்ளதுஃ சர்வதேச மரபணு பொறியியல் இயந்திரங்கள் போட்டி இளங்கலை மற்றும் உயர்நிலைப் பள்ளி மாணவர்கள் தங்கள் சொந்த செயற்கை உயிரியல் சுற்றுகளை வடிவமைக்க அனுமதிக்கும் ஒரு வழிமுறையாக பயோ செங்கல் பாகங்களை உருவாக்குவதையும் தரப்படுத்துவதையும் நிர்வகிக்கிறது. ஆர்வம் மற்றும் குறிக்கோள்கள் இரண்டும் செயற்கை உயிரியல் சுற்றுகளைப் பயன்படுத்துவதற்கான உடனடி மற்றும் நீண்ட கால பயன்பாடுகள் உள்ளன, இதில் வளர்சிதை மாற்ற பொறியியல் மற்றும் செயற்கை உயிரியலுக்கான வெவ்வேறு பயன்பாடுகள் அடங்கும். வெற்றிகரமாக காட்சிப்படுத்தப்பட்டவற்றில் மருந்து உற்பத்தி மற்றும் எரிபொருள் உற்பத்தி ஆகியவை அடங்கும். இருப்பினும், செயற்கை செல்லுலார் சுற்றுகளின் அடிப்படைக் கொள்கைகளைத் தூண்டாமல் நேரடி மரபணு அறிமுகத்தை உள்ளடக்கிய முறைகள் இயல்பாகவே பயனுள்ளதாக இருக்காது. எடுத்துக்காட்டாக, இந்த வெற்றிகரமான அமைப்புகள் ஒவ்வொன்றும் அனைத்து அல்லது எதுவும் தூண்டல் அல்லது வெளிப்பாட்டை அறிமுகப்படுத்த ஒரு முறையைப் பயன்படுத்துகின்றன. இது ஒரு உயிரியல் சுற்று, அங்கு ஒரு எளிய அடக்குபவர் அல்லது விளம்பரதாரர் அறிமுகப்படுத்தப்படுகிறார், இது தயாரிப்பை உருவாக்குவதற்கு அல்லது ஒரு போட்டி பாதையை தடுக்க உதவுகிறது. இருப்பினும், செல்லுலார் நெட்வொர்க்குகள் மற்றும் இயற்கை சுற்றுகள் பற்றிய மட்டுப்படுத்தப்பட்ட புரிதலுடன், மிகவும் துல்லியமான கட்டுப்பாடு மற்றும் பின்னூட்டத்துடன் மிகவும் வலுவான திட்டங்களை செயல்படுத்துவது தடுக்கப்படுகிறது. அதில் செயற்கை செல்லுலார் சுற்றுகளில் உடனடி ஆர்வம் உள்ளது. செல்லுலார் சுற்றுகளைப் புரிந்துகொள்வதில் வளர்ச்சி என்பது சுற்றுச்சூழல் தூண்டுதல்களுக்கு பதிலளிக்கக்கூடிய செல்கள் போன்ற உற்சாகமான புதிய மாற்றங்களுக்கு வழிவகுக்கும். எடுத்துக்காட்டாக, நச்சுத்தன்மை சூழலை சமிக்ஞை செய்யும் செல்கள் உருவாக்கப்படலாம் மற்றும் உணரப்பட்ட நச்சுத்தன்மையை சிதைக்கப் பயன்படுத்தப்படும் பாதைகளைச் செயல்படுத்துவதன் மூலம் வினைபுரியும். அத்தகைய உயிரணுவை உருவாக்க, கொடுக்கப்பட்ட தூண்டுதலுக்கு சரியான முறையில் பதிலளிக்கக்கூடிய ஒரு சிக்கலான செயற்கை செல்லுலார் சுற்றுவட்டத்தை உருவாக்குவது அவசியம். செயற்கை செல்லுலார் சுற்றுகள் செல்லுலார் செயல்பாடுகளுக்கான ஒரு வகையான கட்டுப்பாட்டைக் குறிக்கின்றன, செல்லுலார் பாதைகளைப் பற்றிய முழுமையான புரிதலுடன், நன்கு வரையறுக்கப்பட்ட மரபணு சுற்றுகளுடன் கூடிய "பிளக் அண்ட் பிளே" செல்களை வடிவமைக்க முடியும் என்பதை நியாயப்படுத்தலாம். பாகங்களின் சரியான கருவிப்பெட்டி உருவாக்கப்பட்டால், உயிரணு உயிர்வாழ்வதற்கும் இனப்பெருக்கத்திற்கும் தேவையான பாதைகளை மட்டுமே செயல்படுத்தும் வகையில் செயற்கை உயிரணுக்களை உருவாக்க முடியும் என்று பரவலாக நம்பப்படுகிறது. இந்த உயிரணுவிலிருந்து, ஒரு குறைந்தபட்ச மரபணு உயிரணுவாகக் கருதப்படுவதற்கு, ஒரு பயனுள்ள பின்னூட்ட அமைப்புக்கு பொருத்தமான செயற்கை சுற்றுகளுடன் நன்கு வரையறுக்கப்பட்ட பாதையை உருவாக்க கருவிப்பெட்டியில் இருந்து துண்டுகளைச் சேர்க்கலாம். அடிப்படை கிரவுண்ட் அப் கட்டுமான முறை மற்றும் வரைபட சர்க்யூட்ரி துண்டுகளின் முன்மொழியப்பட்ட தரவுத்தளத்தின் காரணமாக, கணினி அல்லது மின்னணு சுற்றுகளை மாதிரியாகப் பயன்படுத்துவதைப் பிரதிபலிக்கும் நுட்பங்கள் எளிதில் சரிசெய்தல் மற்றும் முன்கணிப்பு நடத்தை மற்றும் விளைச்சலுக்காக செல்கள் மற்றும் மாதிரி செல்களை மறுவடிவமைப்பு செய்ய பயன்படுத்தப்படலாம். எடுத்துக்காட்டு சுற்றுகள் ஆஸிலேட்டர்கள் அடக்குதல் பாலூட்டி டியூனபிள் செயற்கை ஆஸிலேட்டர் பாக்டீரியல் டியூனபிள் செயற்கை ஆஸிலேட்டர் இணைக்கப்பட்ட பாக்டீரியா ஆஸிலேட்டர் உலகளவில் இணைக்கப்பட்ட பாக்டீரியா ஆஸிலேட்டர் எலோவிட்ஸ் மற்றும் பலர். மற்றும் பூஞ்சை மற்றும் பலர். மரபணு தயாரிப்பு வெளிப்பாட்டின் நேரத்தை சார்ந்த ஊசலாட்டத்தை உருவாக்க பல சுய ஒழுங்குமுறை வழிமுறைகளைப் பயன்படுத்தும் ஊசலாட்ட சுற்றுகளை உருவாக்கியது. டாஜில்-ஸ்விட்ச் கார்ட்னர் மற்றும் பலர் பிஸ்டேபிள் சுவிட்சுகள். இரண்டு கட்டுப்பாட்டு அலகுகளுக்கு இடையில் பரஸ்பர அடக்குமுறையைப் பயன்படுத்தி, உயிரணுக்களை இருமுறை கட்டுப்படுத்தக்கூடிய திறன் கொண்ட ஒரு மாற்று சுவிட்சின் செயல்பாட்டை உருவாக்குகிறதுஃ நிலையற்ற தூண்டுதல்கள் தொடர்ச்சியான பதில்களை விளைவிக்கின்றன. லாஜிக்கல் ஆபரேட்டர்கள் அனலாக் ட்யூனர்கள் எதிர்மறையான பின்னூட்டம் மற்றும் ஒத்த ஊக்குவிப்பாளர்களைப் பயன்படுத்தி, லீனரைசர் மரபணு சுற்றுகள் ஒரே மாதிரியான மரபணு வெளிப்பாட்டை விதிக்க முடியும், இது செல்களுக்கு வெளியே உள்ள வேதியியல் தூண்டல் செறிவைப் பொறுத்தது. மரபணு வெளிப்பாட்டின் கட்டுப்பாட்டாளர்கள் பன்முகத்தன்மை செயற்கை மரபணு சுற்றுகள் மரபணு வெளிப்பாட்டை கட்டுப்படுத்த முடியும் பன்முகத்தன்மையை மரபணு வெளிப்பாட்டின் சராசரியிலிருந்து சுயாதீனமாக கட்டுப்படுத்தலாம். பிற பொறியியல் அமைப்புகள் பொறியியல் அமைப்புகள் வெவ்வேறு கட்டுப்பாட்டு வழிமுறைகளின் சேர்க்கைகளை செயல்படுத்துவதன் விளைவாகும். ஒரு வரையறுக்கப்பட்ட எண்ணும் பொறிமுறை ஒரு துடிப்பு-கட்டுப்படுத்தப்பட்ட மரபணு அடுக்கால் செயல்படுத்தப்பட்டது மற்றும் தர்க்க கூறுகளின் பயன்பாடு தாபோர் மற்றும் பிறரின் ஆராய்ச்சியில் உள்ளதைப் போல உயிரணுக்களின் மரபணு "நிரலாக்கத்தை" செயல்படுத்துகிறது, இது ஒரு ஒளிச்சேர்க்கை பாக்டீரியா விளிம்பு கண்டறிதல் திட்டத்தை ஒருங்கிணைத்தது. செயற்கை மரபணு தொகுப்பில் சமீபத்திய முன்னேற்றங்கள் மற்றும் தொழில்துறைக்குள் போட்டியின் அதிகரிப்பு ஆகியவை மரபணு தொகுப்பின் விலை மற்றும் காத்திருப்பு நேரத்தில் குறிப்பிடத்தக்க வீழ்ச்சிக்கு வழிவகுத்தன மற்றும் சுற்று வடிவமைப்பில் பயன்படுத்தப்படும் முறைகளை மேம்படுத்த உதவியது. இந்த நேரத்தில், அறியப்பட்ட பல மரபணு தொடர்புகள் மற்றும் கணித மாதிரிகளின் போதுமான அமைப்பு இல்லாததால் சுற்று வடிவமைப்பு மெதுவான வேகத்தில் மேம்பட்டு வருகிறது. உயிரியல் சுற்றுகளில் பயன்படுத்தப்படும் படங்கள், உரை மற்றும் நிரலாக்க மொழி மூலம் சுற்றுகளின் மல்டிமீடியா பிரதிநிதித்துவங்களை வழங்க கணினி உதவி வடிவமைப்பு (சிஏடி) மென்பொருளைப் பயன்படுத்துவதன் மூலம் இந்த சிக்கல் தீர்க்கப்படுகிறது. நன்கு அறியப்பட்ட சில சிஏடி திட்டங்களில் ஜெனோகேட், க்ளோத்தோ ஃபிரேம்வொர்க் மற்றும் ஜே5 ஆகியவை அடங்கும். ஜெனோகேட் இலக்கணங்களைப் பயன்படுத்துகிறது, அவை திறந்த மூல அல்லது பயனர் உருவாக்கிய "விதிகள்" ஆகும், இதில் கிடைக்கக்கூடிய மரபணுக்கள் மற்றும் குளோனிங் உயிரினங்களுக்கான அறியப்பட்ட மரபணு தொடர்புகள் அடங்கும். க்ளோத்தோ கட்டமைப்பானது பயோப்ரிக் நிலையான விதிகளைப் பயன்படுத்துகிறது. குறிப்புகள் வெளிப்புற இணைப்புகள் மரபணு ஒழுங்குமுறைஃ ஒரு சுற்று பொறியியல் துறையை நோக்கி செயற்கை மரபணு ஆஸிலேட்டர்கள் செயற்கை உயிரியல்