分层反馈机制增加了对工程细胞的控制

ChelseaHu博士是德克萨斯A&M大学ArtieMcFerrin化学工程系的助理教授，也是问责制、气候、公平和奖学金(ACES)教职研究员计划的成员，正在利用合成生物学帮助科学家控制基因工程细胞。她的研究首次使用建模和物理实验来展示分层反馈机制的有效性。胡与加州理工学院的理查德默里博士合作。

“合成生物学非常有用，”胡说。“它允许科学家通过打开或关闭特定基因以使细胞以某种方式表现来设计细胞。问题是一旦科学家创造了工程细胞，他们就很难控制它对外部因素的反应.我的研究是关于使用合成生物学来实施所需的控制机制。”

胡的研究发表在《自然通讯》杂志上。

“控制是工程中最重要的方面，”胡说。“我们可以开发任何东西，但如果我们不能控制它，它对我们就没有用。我研究的目标是通过应用反馈机制帮助科学家更好地控制工程细胞。”

工程师经常使用反馈机制以影响日常生活的方式控制系统。没有反馈机制，像现代飞机或机动车辆这样的东西就不可能存在。

“考虑反馈机制的最佳方式是想想你的空调，”胡说。“如果你把空调温度调到72度，当温度升到73度时，空调就会冷却房间，直到温度恢复到72度。当恒温器达到设定温度时，空调就会关闭。”

然而，由于并非所有的反馈机制都是平等的，添加它们并不总能提高性能。这些机制必须适当组合，因为通常需要在速度和稳健性之间进行权衡。快速的反应通常是脆弱的，而强有力的反应通常需要更多的时间。

在设计快速且稳健的系统时，工程师通常会采用两种反馈机制来克服权衡。这种优化策略在很大程度上负责大多数现代技术的稳健性能。类似的分层策略也在生物学中自然发生。当生物体经历环境、物理或化学变化等干扰时，它会使用分层反馈机制恢复体内平衡。

“我们正试图确定进化和工程使用相同的分层反馈设计是否是巧合，”胡说。“我们还在研究生物学中的分层反馈机制是否能像在工程系统中那样克服速度和稳健性的权衡。最重要的是，我们正在确定使用分层反馈机制是否是获得对合成生物系统控制权的正确途径。“

虽然分层反馈机制在现代技术中得到广泛应用，但Hu的工作是在活细胞中设计、建模、分析和设计这种分层结构的同类工作中的第一个。在用分层反馈机制创建活细胞后，Hu进行了干扰以测量细胞的反应。她的研究从计算和实验上证实，分层反馈机制会随着时间的推移提高电池性能。

胡的研究是弄清楚科学家如何更好地控制工程细胞的第一步。未来，当这项研究融入生物医学、农业、工业和环境领域时，可能会对人类产生深远的影响。

“一旦我们能够控制工程细胞，我们就可以用它们来改善人类生活，”胡说。“这些细胞可用于帮助治疗肠道炎症、促进植物生长或清理化学废物等。但合成生物学的控制仍处于起步阶段，在这项技术得到广泛整合之前，我们还有很多工作要做进入我们的日常生活。”