人類細胞計算機或能在你生病時報警

他們讓多個細胞共同構成一個完全可編程的、能響應多重輸入的多細胞迴路。

未來能發出癌症警報的種植體「紅綠燈」

圖片來源 Yulia Babkina / Alamy Stock Photo

作者 Helen Thomson

翻譯 阿金

審校 卓思琪

科學家已經製造出世界上最複雜的生物計算機：一組經生物工程設計的細胞終有一日將被植入人體內，用於檢測疾病，並提供治療。

2012年，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）的Martin Fussenegger 和他的同事設計了兩個腎臟細胞——一種能夠進行簡單數學計算的生物迴路。其中一個細胞能做加法：存在或者缺乏某兩種化學物質，會啟動細胞內的某種反應，讓它呈現出不同的顏色。另一個細胞也以同樣的方式運作，但是能做減法。

這種生物迴路讓人不由得聯想到計算中的簡單邏輯電路：從理論上講，可以用這種簡單邏輯製造一塊皮膚貼片，讓它在感染源存在的時候發光。

然而身體內的大部分生物反應沒那麼簡單。

生物體內的反應很少依賴「單因子輸入對應單因子輸出」的模式，而更多以「多因子輸入，多因子輸出」的形式存在。比如在體內的高鈣水平和不同激素共存時可能意味著不同的疾病或狀況。

要想使其具有實用價值，生物計算機需要有執行更複雜數學計算的能力。但是，將多重計算「打包入」單個細胞內的難度不小。為了解決這個問題，Fussenegger 和他的團隊設計出一種多細胞系統。在這個系統中，不同的細胞各自執行獨立的計算，並且相互傳遞計算結果。

自動診斷

Fussenegger 設計的系統擁有九個細胞，每個細胞包含一套化學級聯反應來響應三種化學輸入：類似於傳統電路中的 AND（與），NOT（非）和OR（或）系統。這些細胞通過相互釋放並傳遞類似組胺的化學物質，來調節自己的活性。

所有的細胞共同構成一個完全可編程的、能響應多重輸入的多細胞迴路。

Fussenegger 評價說：「儘管目前還沒有到動物試驗的階段，但是我們已經能肯定，這是迄今為止組裝最複雜的生物計算機。」

「這項研究解決了可編程元件缺乏的問題，該問題是合成生物學中亟待突破的的局限之一。」英國紐卡斯爾大學（Newcastle University）的合成生物學家 ángel Moreno 提到。他還說：傳統意義上，一個細胞內的合成迴路總是發揮相同的功能；但是 Fussenegger 的多細胞方法能夠對迴路進行編程，並且僅通過設定九個細胞的不同連接構型就能實現不同的計算能力。「這是非常強大的方法。」ángel Moreno 誇獎道。

「在未來，像這樣的生物計算機能被用來監測更複雜的醫療情況：比如鈣水平的升高、激素的降低、以及某一癌症生物指標的增加，這三種信號一起出現就表示存在某一特定類型的癌症。」 Fussenegger 展望道。他的團隊想要研發出一種能夠持續監測體內所有化學反應的單個植入物，並且用它用來解決、或幫助解決診斷治療問題。

相關論文信息

【論文題目】Programmable full-adder computations incommunicating three-dimensional cell cultures

【發表時間】2017年12月4日

【發表期刊】Nautre Methods

【論文摘要】Synthetic biologists have advanced the design oftrigger-inducible gene switches and their assembly into input-programmablecircuits that enable engineered human cells to perform arithmetic calculationsreminiscent of electronic circuits. By designing a versatile plug-and-playmolecular-computation platform, we have engineered nine different cellpopulations with genetic programs, each of which encodes a definedcomputational instruction. When assembled into 3D cultures, these engineeredcell consortia execute programmable multicellular full-adder logics in responseto three trigger compounds.

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