不仅是0和1,RNA生物计算机具备高达12个输入逻辑操作

文章相关引用及参考:singularityhub

或许在未来的某一天里,合成生物学可以把我们自己的细胞转化为完全可编程的实体,将所有人类变成生物机器人

映维网 2017年08月14日)在生物分子领域,RNA(核糖核酸)得到的关注并没有太多。或许你还没有听说过这个术语。RNA是细胞的翻译员:就像电话传话游戏一样,RNA会把DNA的基因密码带到名为核糖体的细胞工厂中。在这里,细胞将会根据RNA的信息制作蛋白质。

但RNA不仅只是一位中间人,它控制着形成的蛋白质种类。因为围绕细胞的蛋白质巫师完成了所有的重要环节,你可以认为RNA是一位守门员:没有RNA信息,就没有蛋白质,也就没有生命。

日前发表在《自然》杂志上的最新研究表明,RNA终于登上了中心舞台。通过在大肠杆菌中增加基因物质,哈佛大学维斯生物工程研究所的一组研究人员劫持了生物体的RNA信息员,这样它们只会根据特定的输入采取行动。

结果怎样?科学家研发出一台细菌生物计算机,能根据特定的输入来同时处理包含“与”“或”“非”在内的12个输入逻辑操作。这种生物回路是基于蛋白质和其他分子存在或不存在产生结果,而不是输出0和1。

美国亚利桑那州立大学亚历山大·格林(Alexander Green)博士说道:“这是细胞能够处理的最多输入。能够分析这些信号并作出决定是一个重大的进展。”

但合成生物学不仅仅只是一个派对把戏,科学家们未来有可能使它们进行光合作用,快速生产昂贵的药物,或者诊断和治疗流氓肿瘤细胞。

上图是以RNA为基础的“核糖计算”设备,其能够在活细胞中进行基于逻辑的决策。长长的逻辑门RNA(蓝色)检测输入RNA(红色)的结合。核糖体(紫色/淡紫色)读取逻辑门RNA以产生输出蛋白质。

一. 生命的软件

科学家劫持生命的算法,并把细胞重新编程成纳米计算系统的做法并不是第一次。以往的研究已向全世界表明,酵母细胞可以从能执行布尔逻辑的糖或哺乳动物细胞产生抗疟疾药物。

但具有多个输入和输出的回路仍然难以编程,原因是:合成生物学家通常专注于通过切割,融合或以其他方式组合细胞DNA,从而产生他们想要的结果。

但DNA离蛋白质需要两个步骤,而修补生命代码通常会产生意想不到的结果。一方面,细胞甚至可能不接受并产生额外的DNA密码。另一方面,在转化为蛋白质时,添加的代码可能不会在细胞拥挤和不断变化的环境中相应地起作用。

更重要的是,修改一个基因通常不足以编写一个全新的回路。科学家通常需要放大或关闭多个基因,或是由数十或数百个基因组成的多个生物“模块”的活动。相信你已经想到,让每一个活动组件保持一致是一件非常令人头疼的事情。

二. RNA

对于“核糖计算”,格林和他的同事致力于解决合成生物学的一个主要问题:可预测性。

格林最初在2012年想到了利用“核糖”的方法。格林写道:“今天的合成生物回路严重依赖于基于蛋白质的调节剂,而那难以进行扩展。”他解释说,我们只有少量合适的“可设计部分”,而这种回路需要大量的资源进行编码和运作。

相比之下,RNA更可预测。像DNA一样,RNA主要由四种不同单元组成:A(腺嘌呤)、G(鸟嘌呤)、C(胞嘧啶)和U(尿嘧啶)。虽然RNA只是单链,而不是DNA的双螺旋,但能够以非常可预测的方式结合DNA般的短小序列:G始终与C保持一致,而A则与U保持一致。

因为这种可预测性,科学家可以设计出完美结合在一起的RNA成分。换句话说,它减少了添加的RNA不按指示行事的可能。

通常来说,一旦生成RNA,其会马上赶往细胞的蛋白质工厂:核糖体。然而,格林和他的团队发现了一个聪明的机制可以减缓它们,名为“立脚点开关”。其原理如下:人造RNA成分首先被并入A,G,C和U链,折叠成一个回形针状结构。

这可以阻止RNA进入核糖体。因为一条RNA链通常映射到一个蛋白质,所以这个开关可以防止蛋白质被制造出来。

就这样,开关在默认情况下设置为“关闭”,亦即布尔逻辑中的“非”。要激活开关,细胞需要另一个成分:结合立脚点开关的“触发RNA”。这样开关就会被打开:RNA进入核糖体,然后蛋白质诞生。

三. 逻辑门

在把数个RNA开关串联起来时,而且每个依赖于之前的活动,“与”逻辑门就会形成。如果每个开关的活动彼此独立,那就会形成“或”逻辑门。

格林说:“基本上,立脚点开关执行的效果是如此之好,以至于我们希望找到一种方法来把它们应用在蜂窝应用中。它们就相当于你的第一个晶体管。”

在团队优化了不同逻辑门的设计后,他们精心地把开关凝结成“逻辑门RNA”分子。这种逻辑门RNA包含蛋白质的代码和启动过程所需的逻辑操作,可以说是一种分子逻辑回路。

如果你知道基于Arduino的电子回路,你可能知道测试其功能的最简单方法是通过灯泡。格林的团队也想到了这一点,但他们使用的是生物灯泡:绿色荧光蛋白,一种通常不存在于细菌中的光敏蛋白。在打开后,其就会发出霓虹绿色。

在一系列的实验中,格林和他的团队将逻辑门RNA插入至细菌中。然后,根据逻辑功能的类型,它们添加了不同组合的触发RNA,亦即输入。当触发RNA匹配相应的逻辑门RNA时,开关就会被打开,这样细胞就会发光。

他们最为复杂的回路包含5个“与”逻辑门,5个“或”逻辑门和2个“非”逻辑门,一个能处理12个输入的核糖计算机,而效果跟设想完全一致。

这是一个相当大的成就。美国西北大学的RNA研究员​​茱莉·莱科斯(Julies Lucks)博士说:“一切都与其他一切交互,而这些交互有一百万种方式可以意外地打开开关。”

作者解释说,这种明确性得益于RNA。因为RNA的结合是如此有预测性,所以现在我们可以设计大量的逻辑门和触发单元来混合和匹配所有类型的纳米生物计算机。

四. RNA生物纳米机器人

虽然没有任何即时的应用,但团队对该技术寄予了极高的希望。格林表示,这是我们第一次可以大规模把新回路编程的过程扩展至活细胞中,我们扩大了用于重新编程生命基本代码的可用生物成分库。

此外,当RNA冻结在一张纸上时可以很好地保存起来。作者说,他们可能会把RNA打印到可响应病毒或肿瘤细胞的纸张上,这基本上可以把技术转化为高度准确的诊断平台。

但格林对基于RNA的回路还有更大的寄望。他说:“由于我们正在使用RNA这种通用的生命分子,我们知道这些相互作用也可以作用于其他细胞,所以我们的方法提供了可以移植到其他生物体的普遍策略。”

最终,他们希望把类似神经网络的能力编程到身体的其他细胞中。作者说,我们可以想象一下,未来的细胞将能包含执行大脑计算类型的回路。

或许在未来的某一天里,合成生物学可以把我们自己的细胞转化为完全可编程的实体,将所有人类变成生物机器人。这该有多疯狂呢?

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