计算机辅助设计工具推动合成生物学发展

人类以电子电路为模型设计的由遗传组分组合而成的遗传电路，通过其相互作用产生一种或多种蛋白质或RNA分子。这些电路可以对细胞进行编程，尤其是细菌和酵母，以执行特定的操作，例如激活某个酶或对毒素等给定的刺激有所响应。合成生物学家以这种方式使用单细胞生物来生产药物，包括细胞或抗体的生物传感器，工业酶等等。《自然》发文描述了目前合成生物学的计算机辅助设计工具的发展概况。

电子工程师使用自动的计算机辅助设计（CAD）工具设计电路。相比之下，基因工程师只有依靠人工设计生物电路，这是一个费力的、迭代的和容易出错的过程。借助计算机的遗传设计工具正在改变这种状况，这些工具使得研究人员设计复杂遗传电路的过程自动化。

据波士顿大学设计自动化研究实验室跨学科整合负责人Douglas Densmore称，这些工具推动了遗传电路设计的根本转变。他解释说，此前的遗传电路设计主要是一个定制的过程。因此，设计很难分享、改进和扩大规模。目前，合成生物学软件的开发不太稳定，一些软件可能会突然停止使用。在单细胞生物领域的研究人员可使用一些开源或免费提供的工具，包括Cello、j5和另一种名为iBioSim的工具。研究人员可以使用这些工具将电路编织成全基因组或设计数千种突变体来检测基因、酶或蛋白质结构域的不同组合。

Cello由上文中提到的Densmore和麻省理工学院的合成生物学家Christopher Voigt两个实验室联合开发。研究人员可以指导Cello软件设计符合特定规格的遗传电路，而无需告诉软件如何实际构建遗传电路。用户使用一种与描述硅电路相同的计算机语言Verilog给予软件指令。例如用户可以要求Cello设计一种在感知到两种特定抗体的存在时产生蛋白的遗传电路。然后，软件将确定必须将哪些组件放在一起以实现这一点，并输出物理构建它所需的核酸序列。Cello还能预测其设计的电路性能如何。

Cello开发的最初版本仅限于大肠杆菌，目前研究人员正在扩展该工具以使其适用于酵母。研究人员也在使用Cello开发具有记忆功能的电路，根据其感知目标的顺序从而以不同的方式发挥作用。

与Cello不同，包括iBioSim、j5和GenoCAD在内的其他自动化工具都无法对遗传电路的性能或其是否正确进行预测，都需要用户知道并输入有关电路结构的信息。

商业化的GenoCAD具有开源版本，提供了定义DNA序列中哪些功能部分可以组合在一起的规则。DNA序列与编程语言具有相同的语言复杂性，将序列视为编程代码，可以将该软件作为更广泛的遗传设计工具和服务的基础。从这些规则中，软件可以将电路设计转化为DNA的物理序列，并由此构建电路。

j5由美国能源部的联合生物能源研究所（Joint BioEnergy）创建，并已授权位于美国旧金山的TeselaGen生物技术公司。j5允许用户通过将遗传控制元素拖放到画布上来设计遗传回路。用户可以选择他们可能想要在特定位置测试的多个组件，例如，确定哪个组合产生最强大的输出。 也可以输入一些特定的规则，例如不要把A部分和B部分放在一起，但C部分必须在D部分之后等，随后j5会列举所有不同的组合。非营利性大学和研究所的研究人员可以通过免费的TeselaGen账户使用该软件。

虽然合成生物学家使用遗传电路设计工具的人数正在慢慢增多，但目前学术界对于支付软件费用仍有疑虑，因为还没有人进行过成本效益分析来确定花费数万美元购买软件或是让研究生花费大量时间创建电路哪个方式更具优势。