Automatisierung des Designs genetischer Schaltkreise

Rechenprozesse können in lebenden Zellen durch DNA-kodierte Schaltkreise durchgeführt werden, die sensorische Informationen verarbeiten und biologische Funktionen steuern. Ihre Konstruktion ist zeitaufwendig und erfordert manuelle Montage der Bauteile sowie das Ausbalancieren der Regulator-Expression. Wir beschreiben eine Designumgebung, Cello, in der ein Benutzer Verilog-Code schreibt, der automatisch in eine DNA-Sequenz umgewandelt wird. Algorithmen erstellen ein Schaltplan-Diagramm, weisen Gates zu und verbinden sie, sowie simulieren die Leistung. Für ein zuverlässiges Schaltungsdesign ist die Isolierung der Gates vom genetischen Kontext erforderlich, damit sie identisch funktionieren, wenn sie in verschiedenen Schaltungen verwendet werden. Wir nutzten Cello, um 60 Schaltungen für Escherichia coli (880.000 Basenpaare DNA) zu entwerfen, wobei jede DNA-Sequenz exakt wie von der Software vorhergesagt gebaut wurde, ohne zusätzliche Anpassungen. Von diesen funktionierten 45 Schaltungen in jedem Ausgabestatus korrekt (bis zu 10 Regulatoren und 55 Bauteile), und insgesamt funktionierten 92 % der Ausgabestatus wie vorhergesagt. Die Designautomatisierung vereinfacht die Integration genetischer Schaltkreise in biotechnologische Projekte, die Entscheidungsfindung, Steuerung, Sensorik oder räumliche Organisation erfordern.