近日出版的《自然》雜志刊登了一篇研究論文：美國(guó)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(jì)算機(jī)。該計(jì)算機(jī)由RNA(核糖核酸)制成，能在大腸桿菌活細(xì)胞內(nèi)對(duì)12種不同指令同時(shí)作出反應(yīng)，控制細(xì)菌細(xì)胞的行為。

RNA分子內(nèi)的環(huán)狀和其他形狀的結(jié)構(gòu)可以充當(dāng)邏輯門(mén)，對(duì)輸入信號(hào)作出反應(yīng)，合成蛋白質(zhì)(即輸出信號(hào))。

研究團(tuán)隊(duì)在大腸桿菌的活體細(xì)胞內(nèi)誘導(dǎo)形成的RNA電路，能像微型機(jī)器人和數(shù)字計(jì)算機(jī)一樣執(zhí)行計(jì)算指令。格林表示，他們可以用計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)想要的RNA序列，并利用這些可以預(yù)測(cè)和編程的RNA相互作用，來(lái)構(gòu)筑生物電路，這對(duì)智能藥物設(shè)計(jì)、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(lái)開(kāi)發(fā)出用于追蹤癌細(xì)胞或關(guān)閉惡性變異基因等的納米機(jī)器，具有重要意義。

不同堿基在活細(xì)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(xì)胞電路的中心組件——RNA開(kāi)關(guān)。這些RNA開(kāi)關(guān)性能完善后，他們開(kāi)始在活體細(xì)胞內(nèi)開(kāi)發(fā)更復(fù)雜的系統(tǒng)。

格林團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)出名叫“邏輯門(mén)”的特殊RNA電路，然后插入大腸桿菌的活體細(xì)胞內(nèi)。其能像傳統(tǒng)數(shù)字電路一樣，用“與”“或”“非”進(jìn)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(hào)，生物電路用特定化合物或蛋白質(zhì)代替電壓信號(hào)。當(dāng)作為輸入信息的RNA片段，與電路中RNA序列互補(bǔ)時(shí)，兩者會(huì)結(jié)合，RNA開(kāi)關(guān)被打開(kāi)，邏輯門(mén)得到激活，從而產(chǎn)生想要的輸出信號(hào)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(xì)胞內(nèi)納米電路是生物計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的重大突破。現(xiàn)在研究人員只要在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)出RNA電路的組成成分，將這些RNA的堿基加入活體細(xì)胞后，它們會(huì)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(chēng)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(chǔ)在DNA中，并用一條DNA解決了超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)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(jì)算機(jī)獲得快速推進(jìn)。今年7月，有研究人員將電影片段成功存儲(chǔ)到細(xì)菌活體細(xì)胞中，且經(jīng)過(guò)多代更迭后，存儲(chǔ)在基因中的電影完好如初。

現(xiàn)在，格林團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出的RNA電路能在大腸桿菌活體細(xì)胞內(nèi)執(zhí)行多項(xiàng)計(jì)算功能。當(dāng)兩條RNA信息A和B出現(xiàn)時(shí)，“與”邏輯門(mén)會(huì)在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生“輸出”命令;當(dāng)出現(xiàn)RNA信息A或者B時(shí)，“或”邏輯門(mén)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(mén)就會(huì)挺身而出，切斷輸出信號(hào)。將這些不同的邏輯門(mén)結(jié)合在一起，就能形成更復(fù)雜的邏輯門(mén)，對(duì)多個(gè)任務(wù)輸入同時(shí)作出反應(yīng)。

格林團(tuán)隊(duì)利用RNA開(kāi)關(guān)制成的首批RNA納米設(shè)備，能同時(shí)處理4個(gè)“與”輸入、6個(gè)“或”輸入以及包含“與”“或”“非”在內(nèi)的12個(gè)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(gè)細(xì)胞內(nèi)，讓細(xì)胞形成蛋白質(zhì)的過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單。

可用于研制神經(jīng)電路和類(lèi)腦網(wǎng)絡(luò)

之前，格林團(tuán)隊(duì)曾研發(fā)出一種低成本的RNA開(kāi)關(guān)試紙，并證明其可作為精準(zhǔn)檢測(cè)寨卡病毒的診斷平臺(tái)，寨卡病毒的RNA能激活RNA開(kāi)關(guān)，誘導(dǎo)蛋白質(zhì)形成，讓試紙的顏色發(fā)生改變。這類(lèi)RNA測(cè)試平臺(tái)可進(jìn)行擴(kuò)展，開(kāi)發(fā)出針對(duì)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(hù)人員急缺的發(fā)展中國(guó)家，應(yīng)對(duì)傳染病暴發(fā)的緊急情況。

格林表示，他們下一步將重點(diǎn)研究如何在活細(xì)胞內(nèi)用RNA開(kāi)關(guān)制作神經(jīng)網(wǎng)路電路，像神經(jīng)元對(duì)其他神經(jīng)細(xì)胞的輸入信號(hào)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算一樣，這些神經(jīng)電路能分析大量興奮和抑制等信號(hào)，隨時(shí)調(diào)整興奮信號(hào)和抑制信號(hào)的比例。以此為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)控分子信號(hào)，誘導(dǎo)細(xì)胞間相互交流，最終形成能交互作用的類(lèi)腦網(wǎng)絡(luò)。“總之，我們的方法提供了一個(gè)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(lèi)身上，可以利用RNA電路對(duì)人類(lèi)細(xì)胞重新編程，延伸其生物功能。”