新型核糖計算器件：讓活細胞進行複雜邏輯運算！

導讀

最近，美國哈佛大學維斯生物啟發工程研究所的團隊製造出了一種新型RNA納米器件，它存在於活細胞中，能感知多個複雜信號，作出類似於傳統計算機的邏輯判定，精準控制蛋白質生產。

關鍵字

細胞、醫療、納米、電路

背景

目前，合成生物學家正在將微生物細胞轉化為「活」的器件，使之完成一些列有價值的任務，例如：生產藥物、精細化學品和生物燃料、檢測病原體和在體內釋放治療性分子。為了達到這個目的，他們讓細胞符合人工分子機制，這種機制可以感知環境中的毒素、代謝水平和驗證信號等一些列刺激。

這些合成生物學電路與電子電路非常相似，它們都可以處理信息和作出邏輯判定。之前，筆者也曾在《活細胞中的基因電路：可以進行複雜計算，治療疾病》和《DNA計算機領域重要進展：DNA模擬電路進行數學運算》兩篇文章中，分別介紹過美國麻省理工大學研製的合成生物學電路的運算方式、實現方式和應用領域，以及美國杜克大學研製的一種新型DNA計算機的工作方式和應用前景。

為了更直觀的了解，大家可以參考下面的兩張示意圖，它們分別展示了合成生物學電路的邏輯與門和邏輯或門的示例。

（圖片來源：維基百科）

然而，與電子電路不同之處在於，這些生物電路必須通過細胞生產的分子部件來製造，且它們必須在每個細胞中擁擠且不斷變化的環境中運行。

迄今為止，合成生物學電路只能感知少數信號，對於宿主細胞情況描述並不完整。合成生物學家們也在通過不同類型的分子形式，描述幾個活動部件，例如DNA、RNA和蛋白質。這些分子必需通過查找、綁定以及在一起工作，感知和處理信號。識別相互配合良好的分子存在一定難度，因此新型生物電路的開發成為了一種曠日持久且經常不可預知的過程。

創新

最近，美國哈佛大學維斯生物啟發工程研究所（Harvard"s Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ）的團隊展示了一種一體化的解決方案，它能夠浸透核糖核酸或者RNA分子，感知多個信號且作出邏輯判定，精準地控制蛋白質生產。

如下圖所示：與計算機科學家們使用邏輯語言進行編程的方式相似，該方案具有精準的與、或和非的邏輯判定。「核糖計算器件」（黃色）可以感知和解釋細胞內的多個信號，並且指導核糖體（藍色和綠色）生產不同的蛋白質。

（圖片來源：哈佛大學維斯研究所）

該研究成果發表於《自然》雜誌，該方案創造出了基因編碼的RNA納米器件，它可以展開史無前例的12路輸入邏輯操作，精準調節大腸桿菌中的熒光報告基因的表達，並且只在遇到複雜的、用戶指定的細胞內刺激時進行。

如下圖所示：基於RNA的『核糖計算』器件可在活細胞內部進行邏輯判定。長的門RNA（藍色）檢測輸入RNA（紅色）的綁定。核糖體（紫色/淡紫色）讀取門RNA生產一個輸出的蛋白質。

（圖片來源：Alexander Green / 亞利桑那州立大學）

在這項研究中，Yin 的研究小組和維斯核心教員、論文合著者 James Collins 博士、Pam Silver博士一起展開了合作。Collins 也是麻省理工學院醫學工程和科學和生物工程專業的教授；Silver 是哈佛醫學院系統生物學院生物化學和系統生物學的教授。

技術

2014年，該研究團隊首次發表了所謂的「立足點開關」（Toehold Switches），它是由RNA製成，如同髮夾一般的可編程納米結構。後來，研究團隊逐漸由它演變到如今的方案。

原則上，RNA「立足點開關」可以控制特定的蛋白質生產：當一個期望的互補性「觸發器」RNA（它可以作為細胞自然的RNA的一部分）出現，且與「立足點開關」發生綁定時，髮夾結構會被打開。只有到那時，細胞的核糖體才可以訪問RNA，且生產出期望的蛋白質。

文章的共同第一作者 Alexander Green 博士說：

「我們希望充分利用『立足點開關』的可編程性，找到一條智能途徑，以拓展活細胞的決策功能。現在通過核糖計算器件，我們能將蛋白質生產和許多不同輸入的RNA特定組合結合起來，且只有在條件允許的情況下才激活生產。」

「一旦我們搞清楚如何使用『立足點開關』和RNA分子，編碼基本邏輯操作例如：與、或、 非，我們就能將此功能精簡至一個精心設計的分子中，我們稱之為門RNA。使用門RNA讓核糖計算器件在基因方面更加緊湊，且按比例放大了電路，讓細胞可以進行更加複雜的操作。」

價值

這種可編程納米器件有望使得研究人員構造出更加複雜的合成生物學電路，使他們能夠有效地分析複雜的細胞環境，並且作出精準的反應。

這項研究的領頭人、維斯研究所的核心教員、哈佛醫學院系統生物學教授 Peng Yin博士說：

「我們展示了一種RNA分子，它經過工程設計後變成可編程的、具有邏輯功能的『核糖計算器件』。這項納米技術和合成生物學領域的突破性進展，將使我們能設計出更加可靠的合成生物學電路，更多地意識到與特定目標相關的環境影響。」

論文的共同第一作者、博士後研究員 Jongmin Kim 博士稱：

「我們甚至成功地部署了兩個獨立的門RNA，表達細菌細胞中不同的熒光蛋白。它開啟了新的可能性，即設計多個門RNA，同時在同一細胞內工作，以構建全細胞生物感測器。另外，我們相信經過實驗檢驗的核糖計算器件，能夠通過簡單地轉化，應用於不同的微生物。」

除了在不同的活生物體中的使用，核糖計算設備也可以用於無細胞的場景。Collins 說：

「這些基於邏輯的RNA能在紙上冷干，從而增加了基於紙張的生物電路的可行性，例如用於診斷學，在臨床樣品中，感知並整合幾個與疾病相關的信號。」

維斯的創始董事、哈佛醫學院血管生物學和波士頓兒童醫院血管生物學項目的教授、哈佛工程和應用科學學院的教授 Donald Ingber 說：

「由RNA形式的活材料製成的計算納米器件的發明，以及由Peng Yin和他的團隊開拓的核糖計算，極大地拓展了活細胞中的合成生物學的應用領域。這個領域的進展一年比一年快，而且它代表了又一個飛速發展的領域。 」

參考資料

【1】https://wyss.harvard.edu/programming-cells-with-computer-like-logic/

【2】http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature23271.html?foxtrotcallback=true

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！