基因測序儀Out！DNA計算機除了診斷還能「配藥」

隨著基因測序技術的不斷發展，它被廣泛應用於診斷和治療罕見病、簡單遺傳疾病和癌症等疾病。不過，以編碼的DNA序列為運算對象建立的一種信息技術形式開發而出的DNA計算機，具有實時探測和監控基因突變等細胞內一切活動的特徵信息，確定癌細胞等病變細胞以及自動激發微小劑量的治療效果 。

近日，位於荷蘭南部的埃因霍芬理工大學（Eindhoven University of Technology，TU/e）的研究者們展示了一種新的方法，利用DNA計算機使受控藥物（controlled drug）進入血液。這項研究被發表在2月17日的《自然—通訊》（Nature Communications）期刊上。

DNA作為計算機的晶元技術，使藥物在血液輸送

據悉，這項研究由該校由生物醫學工程師Maarten Merkx教授領銜，成功開發出了首款能夠檢測血液中多種抗體、並基於檢測結果執行後續程序的DNA計算機。研究者表示，這是「智能藥物」開發的重要一步，可開發出副作用更少、成本更低、效果更好的風濕病（rheumatism）和克羅恩病（Crohn）藥物。

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會思考的「安全系統」

抗體模板鏈交換機：允許從抗體到DNA的翻譯

由埃因霍芬理工大學研究人員提出的方法的類似一個安全系統（security system），是否打開門取決於站在它前面的人：如果攝像頭能夠識別該人，門可以打開，如果不能識別，門則會鎖著。

在Maarten Merkx教授看來，過往的診斷試驗研究側重於認知（recognition）；而該系統的特點是它可以思考（think），根據思考結果連接到藥物輸送等驅動。

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DNA計算機的發展

基於數據的非線性最小二乘法，構建模擬反應動力學的自動轉換開關模型

與傳統的基因測序儀相比，DNA計算機要執行「思考」動作，「智能」是必要的。目前傳統的生物學研究僅僅認知到DNA是一種遺傳信息載體，事實上DNA也非常適合進行分子計算。DNA的序列決定了它可以與其他DNA產生反應，而研究者能夠編程其中的反應電路。

早在1994年，美國計算機科學家Leonard M. Adleman就用DNA方式，解決了一個非常著名問題——哈密爾敦直接路徑問題（俗稱「售貨員旅遊問題」）。他巧妙地利用DNA單鏈代表每座城市及城市之間的道路，並為順序編碼；這樣，每條道路「粘性的兩端」就會根據DNA組合的生物化學規則與兩座正確的城市相連。然後，他在試管中把這些DNA鏈的副本混合起來，它們以各種可能組合連接在一起，經過一定時間的一系列的生化反應，找出了解決問題的唯一答案。

到了2011年，科學家更是利用細菌和DNA成功建造數字設備微處理器的基本構建模塊——生物邏輯門，並被認為是當時最先進的「生物電路」，離創造出「活體電腦」再近一步。

如今，科學家更是利用DNA開發出「能檢測」、「會思考」的智能DNA計算機設備，使得開發個性化的「智能藥物」將成現實。

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智能DNA計算機的三大核心

抗體模板鏈交換機：允許抗體控制DNA酶的活性

1）抗體檢測

眾所周知，在診斷一個人是否患有某種疾病之前，必須測量體內特定抗體（免疫球蛋白）的濃度。

然而傳統DNA計算機的輸入（input ）通常由其他DNA和RNA分子組成，這使得其在生物醫學應用方面受到了極大限制。

為此，Maarten Merkx教授和同事們開發出了能夠連接抗體的DNA計算機，據悉這也是該領域的首台機器。

2）藥物輸送

研究者通過「抗體模板鏈交換機」（Antibody-Templated Strand Exchange ），使得每個抗體可以轉化為能夠被DNA計算機識別的獨特DNA片段。DNA計算機根據識別結果決定是否需要進行藥物輸送。

文章的第一作者Wouter Engelen博士後解釋說，特定的DNA分子片段開啟了一系列的反應，使得DNA計算機有條不紊地運行各種程序。目前的研究結果已經證實他們開發出的DNA計算機可以控制酶的活性，而酶與抗體同屬於蛋白質，所以他們認為該設備有望控制治療性抗體的活性。

3）藥物治療

在治療風濕病、克羅恩病病等慢性疾病過程中，治療性抗體是一種有效的藥物（生物製品）。Maarten Merkx教授認為該系統的潛在應用之一是測量血液中治療性抗體的數量，並決定是否有必要補充額外藥物。在他看來，該方法在治療過程中直接連接抗體檢測，能夠有效防止副作用並降低用藥成本。

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展望：人體有望成為DNA計算機

DNA計算機已經成為當前世界許多國家科研人員研究的熱點之一，未來的DNA計算機在研究邏輯、破譯密碼、基因編程、疑難病症防治以及航空航天等領域應用的獨特優勢， 現在電子計算機是望塵莫及，應用前景十分樂觀。

去年9月，微軟宣布了一項宏偉的計劃——開發出能夠進入人體並可以運行的「迷你DNA計算機」，監視癌細胞並且重新編碼這些癌細胞，讓癌細胞轉化為健康細胞，希望在10年之內解決癌症。

基因編輯領域學者、斯坦福大學生物工程系和化學與系統生物學系助理教授亓磊近期也表示：CRISPR基因編輯有望讓人體成為一台基因可被讀取、預測和改寫的「DNA計算機」，它不僅能夠充當監控設備，發現潛在的致病變化；還可以在人體內合成所需的藥物，治療癌症、心臟病、動脈硬化等各種疑難病症；甚至在恢復盲人視覺方面，也將大顯身手。

參考資料：

DNA computer brings 『intelligent drugs』 a step closer

Antibody-controlled actuation of DNA-based molecular circuits

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