發(fā)布時間： 2017年08月01日
近日出版的《自然》雜志刊登了一篇研究論文：美國亞利桑那州立大學(xué)教授艾利克斯·格林和哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所合作，研制出迄今為止最復(fù)雜的生物計算機。該計算機由RNA（核糖核酸）制成，能在大腸桿菌活細胞內(nèi)對12種不同指令同時作出反應(yīng)，控制細菌細胞的行為。
研究團隊在大腸桿菌的活體細胞內(nèi)誘導(dǎo)形成的RNA電路，能像微型機器人和數(shù)字計算機一樣執(zhí)行計算指令。格林表示，他們可以用計算機軟件設(shè)計想要的RNA序列，并利用這些可以預(yù)測和編程的RNA相互作用，來構(gòu)筑生物電路，這對智能藥物設(shè)計、智能給藥系統(tǒng)、綠色能源生產(chǎn)、低成本診斷技術(shù)，以及未來開發(fā)出用于追蹤癌細胞或關(guān)閉惡性變異基因等的納米機器，具有重要意義。
不同堿基在活細胞內(nèi)自成RNA電路
早在2012年攻讀博士后期間，格林就參與研發(fā)細胞電路的中心組件——RNA開關(guān)。這些RNA開關(guān)性能完善后，他們開始在活體細胞內(nèi)開發(fā)更復(fù)雜的系統(tǒng)。
格林團隊在實驗室設(shè)計出名叫“邏輯門”的特殊RNA電路，然后插入大腸桿菌的活體細胞內(nèi)。其能像傳統(tǒng)數(shù)字電路一樣，用“與”“或”“非”進行邏輯決定，只是傳統(tǒng)數(shù)字電路輸入輸出的是電壓信號，生物電路用特定化合物或蛋白質(zhì)代替電壓信號。當(dāng)作為輸入信息的RNA片段，與電路中RNA序列互補時，兩者會結(jié)合，RNA開關(guān)被打開，邏輯門得到激活，從而產(chǎn)生想要的輸出信號即蛋白質(zhì)。
與之前研究中需要用到蛋白質(zhì)等復(fù)雜中間體相比，這些只包含RNA的細胞內(nèi)納米電路是生物計算機領(lǐng)域的重大突破?，F(xiàn)在研究人員只要在計算機上設(shè)計出RNA電路的組成成分，將這些RNA的堿基加入活體細胞后，它們會按照預(yù)定路線，自組裝成與想要的功能一致的RNA電路。
堪稱天然的奔騰處理器芯片
早在1994年，南加州大學(xué)科學(xué)家倫納德·阿德曼首次提出可以將數(shù)據(jù)存儲在DNA中，并用一條DNA解決了超級計算機無法解答的一道復(fù)雜數(shù)學(xué)題。此后，用生命物質(zhì)DNA和RNA研發(fā)計算機獲得快速推進。今年7月，有研究人員將電影片段成功存儲到細菌活體細胞中，且經(jīng)過多代更迭后，存儲在基因中的電影完好如初。
現(xiàn)在，格林團隊開發(fā)出的RNA電路能在大腸桿菌活體細胞內(nèi)執(zhí)行多項計算功能。當(dāng)兩條RNA信息A和B出現(xiàn)時，“與”邏輯門會在細胞內(nèi)產(chǎn)生“輸出”命令；當(dāng)出現(xiàn)RNA信息A或者B時，“或”邏輯門作出反應(yīng)；如果輸入的是不同于A或B的另一條RNA信息，“非”邏輯門就會挺身而出，切斷輸出信號。將這些不同的邏輯門結(jié)合在一起，就能形成更復(fù)雜的邏輯門，對多個任務(wù)輸入同時作出反應(yīng)。
格林團隊利用RNA開關(guān)制成的首批RNA納米設(shè)備，能同時處理4個“與”輸入、6個“或”輸入以及包含“與”“或”“非”在內(nèi)的12個輸入等復(fù)雜操作。這些分別執(zhí)行感應(yīng)功能和輸出功能的不同電路，能夠集成壓縮到一個細胞內(nèi)，讓細胞形成蛋白質(zhì)的過程變得更加簡單。
可用于研制神經(jīng)電路和類腦網(wǎng)絡(luò)
之前，格林團隊曾研發(fā)出一種低成本的RNA開關(guān)試紙，并證明其可作為精準(zhǔn)檢測寨卡病毒的診斷平臺，寨卡病毒的RNA能激活RNA開關(guān)，誘導(dǎo)蛋白質(zhì)形成，讓試紙的顏色發(fā)生改變。這類RNA測試平臺可進行擴展，開發(fā)出針對許多不同傳染病的低成本精準(zhǔn)診斷技術(shù)，用于醫(yī)療資源和醫(yī)護人員急缺的發(fā)展中國家，應(yīng)對傳染病暴發(fā)的緊急情況。
格林表示，他們下一步將重點研究如何在活細胞內(nèi)用RNA開關(guān)制作神經(jīng)網(wǎng)路電路，像神經(jīng)元對其他神經(jīng)細胞的輸入信號進行加權(quán)計算一樣，這些神經(jīng)電路能分析大量興奮和抑制等信號，隨時調(diào)整興奮信號和抑制信號的比例。以此為基礎(chǔ)，通過調(diào)控分子信號，誘導(dǎo)細胞間相互交流，最終形成能交互作用的類腦網(wǎng)絡(luò)?！翱傊?，我們的方法提供了一個通用策略，除了用于微生物，RNA電路完全可用于其他生物甚至人類身上，可以利用RNA電路對人類細胞重新編程，延伸其生物功能?！?/p>
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