Synthetic circuits integrating logic and memory in living cells

ORIGINAL: Nature

Piro Siuti, John Yazbek & Timothy K Lu

10 February 2013

Nature Biotechnology 31, 448–452 (2013) doi:10.1038/nbt.2510 Received 25 October 2012 Accepted 17 January 2013 Published online 10 February 2013 

Logic and memory are essential functions of circuits that generate complex, state-dependent responses. Here we describe a strategy for efficiently assembling synthetic genetic circuits that use recombinases to implement Boolean logic functions with stable DNA-encoded memory of events. Application of this strategy allowed us to create all 16 two-input Boolean logic functions in living Escherichia coli cells without requiring cascades comprising multiple logic gates. We demonstrate long-term maintenance of memory for at least 90 cell generations and the ability to interrogate the states of these synthetic devices with fluorescent reporters and PCR. Using this approach we created two-bit digital-to-analog converters, which should be useful in biotechnology applications for encoding multiple stable gene expression outputs using transient inputs of inducers. We envision that this integrated logic and memory system will enable the implementation of complex cellular state machines, behaviors and pathways for therapeutic, diagnostic and basic science applications.

Figure 1: Integrated logic and memory devices. A simple rule is used to translate desired computational functions into [promoter(s)]-[terminator(s)]-[output] designs, which can be constructed with straightforward Gibson assembly. In all of the E. coli cells used in this work,

Figure 2: Recombinase-based logic gates can implement a complete set of two-input–one-output Boolean logic gates without needing to cascade multiple universal gates together. 

Figure 3: Stable memory maintenance over multiple cell generations and after cell death. 

(a) Percentage of cells maintaining GFP expression, assayed by flow cytometry after gating by forward and side scatter, in cells containing an AND gate induced to the ON state after day 0 and continuously diluted and grown without input…

Figure 4: Recombinase-based logic and memory can implement digital-to-analog converters. 

Cells were exposed to no inputs, AHL only, aTc only, or AHL and aTc simultaneously. (a–c) Various digital combinations of the input inducers result in multiple levels of analog gene expression outputs on the basis of the varying strengt…

Ha sido desarrollado el primer "Circuito Integrado Químico"

ORIGINAL: AlphaGalileo Linköping Universitet

martes, 29 de mayo de 2012 

Figure: The chemical chip can control the delivery of the neurotransmitter acetylcholine. This enables chemical control of muscles, which are activated when they come into contact with acetylcholine. 

Klas Tybrandt, estudiante de doctorado en Electrónica Orgánica en la Universidad de Linköping, (LiU) Suecia, ha desarrollado un circuito integrado a partir de productos químicos. Los resultados han sido publicados en la prestigiosa revista Nature Communications.

El grupo de investigación de Electrónica Orgánica en la Universidad de Linköping previamente había desarrollado transistores de iones para el transporte de los iones positivos y negativos, así como biomoléculas. Tybrandt ha logrado combinar ambos tipos de transistores en circuitos complementarios, de una manera similar a los tradicionales basados en silicio de la electrónica.

Una ventaja de los circuitos químicos es que el portador de carga consta de sustancias químicas con diversas funciones. Esto significa que ahora tenemos nuevas oportunidades para controlar y regular las rutas de señal de las células en el cuerpo humano.

Fig. 1. Arquitectura del IBJT. (A) La estructura del dispositivo principal de un BM, incluyendo una capa de membrana neutra intermedia. En tensión de polarización inversa y hacia adelante, los iones móviles se extraen de o se acumulan dentro de la capa intermedia, respectivamente. Esto da lugar a la rectificación de corriente iónica. (B) El IBJT polarizado de acuerdo con la configuración de emisor común. PEDOT: PSS electrodos con electrolitos acuosos generan las corrientes iónicas dentro del dispositivo. Emisor y el colector (selector de cationes, L x W ¼ 1,5 × 0,2 mm) se unen con la base (selectora de aniones) la definiendo la unión. (C) sección transversal vertical a lo largo de la configuración de emisor-colector (no a escala). El emisor y el colector (~ 250 nm de espesor PSS) se modelan en la parte superior de un substrato de PET. Un gel de PEG reticulado (referido como la unión) se emplea en la separación de capa aislante de espesor 10 micras SU-8. La base (~ 20 m de espesor) está en contacto con el gel y está cubierta por una capa de sello PDMS. IC es el flujo de cationes (MTH) desde el emisor al colector mientras IB, en estado estacionario, se compone principalmente de aniones (A-) migrando desde la base al emisor. (D) de arriba hacia abajo de la IBJT. Emisor y el colector se horizontalmente separados por 100 µm y la base cubre el área de unión total. (E) El símbolo del circuito propuesto para el PNP-IBJT

"Podemos, por ejemplo, envíar señales a las sinapsis del músculo, donde el sistema de señalización no pueden trabajar por alguna razón. Sabemos que nuestros chips obran con sustancias comunes de señalización, por ejemplo, la acetilcolina", dice Magnus Berggren, profesor de la electrónica orgánica y el líder del grupo de investigación.

The IBJT as an addressable delivery point for modulation of neuronal cell signaling. (A) Schematic illustration of the IBJT in a circuitry.  SH-SY5Y cells were cultured on  top of the collector electrode and ACh was  placed on  the emitter electrode. When switching on the device, ACh migrates through the E-C circuit and is released to the cells. 

El desarrollo de los transistores de iones, que pueden controlar y transportar iones y biomoléculas con carga, se inició hace tres años por Tybrandt y Berggren, respectivamente, un estudiante de doctorado y profesor en la electrónica orgánica en el Departamento de Ciencia y Tecnología en la Universidad de Linköping. Los transistores fueron utilizados por los investigadores del Instituto Karolinska de controlar la entrega de acetilcolina, la sustancia de señalización de las células individuales. Los resultados fueron publicados en la conocida revista interdisciplinaria PNAS.

Conjuntamente con Robert Forchheimer, profesor de codificación de información en LiU, Tybrandt ha dado el siguiente paso mediante el desarrollo de chips químicos que contienen también las puertas lógicas, tales como compuertas NAND que permiten la construcción de todas las funciones lógicas.

Su gran éxito se crea la base para una tecnología de circuitos completamente nuevos basados en iones y moléculas en lugar de electrones y huecos.

Información bibliográfica completa
Nature Communications: 10.1038/NCOMMS1869

Logic gates based on ion transistors

Klas Tybrandt 1, Robert Forchheimer 2 and Magnus Berggren 1*

1 Linköping University, Department of Science and Technology, Organic Electronics, SE-601 74 Norrköping, Sweden.

2 Linköping University, Department of Electrical Engineering, Division of Information Coding, SE- 581 83 Linköping, Sweden.

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"Ion bipolar junction transistors". Klas Tybrandt , Karin C. Larsson , Agneta Richter-Dahlfors , and Magnus Berggren

PNAS Search: "Logic gates based on ion transistors"