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美研发迄今最复杂RNA生物计算机,能并行处理多个复杂信号
爬上海岸的鱼 2017-08-02
导语

这对智能药物设计、智能给药系统、绿色能源生产、低成本诊断技术,以及未来开发出用于追踪癌细胞或关闭恶性变异基因等的纳米机器,具有重要意义。

近日出版的《自然》杂志刊登了一篇研究论文:美国亚利桑那州立大学教授艾利克斯·格林和哈佛大学维斯生物启发工程研究所合作,研制出迄今为止最复杂的生物计算机。该计算机由RNA(核糖核酸)制成,能在大肠杆菌活细胞内对12种不同指令同时作出反应,控制细菌细胞的行为。

研究团队在大肠杆菌的活体细胞内诱导形成的RNA电路,能像微型机器人和数字计算机一样执行计算指令。格林表示,他们可以用计算机软件设计想要的RNA序列,并利用这些可以预测和编程的RNA相互作用,来构筑生物电路,这对智能药物设计、智能给药系统、绿色能源生产、低成本诊断技术,以及未来开发出用于追踪癌细胞或关闭恶性变异基因等的纳米机器,具有重要意义。

▍不同碱基在活细胞内自成RNA电路

早在2012年攻读博士后期间,格林就参与研发细胞电路的中心组件——RNA开关。这些RNA开关性能完善后,他们开始在活体细胞内开发更复杂的系统。

格林团队在实验室设计出名叫“逻辑门”的特殊RNA电路,然后插入大肠杆菌的活体细胞内。其能像传统数字电路一样,用“与”“或”“非”进行逻辑决定,只是传统数字电路输入输出的是电压信号,生物电路用特定化合物或蛋白质代替电压信号。当作为输入信息的RNA片段,与电路中RNA序列互补时,两者会结合,RNA开关被打开,逻辑门得到激活,从而产生想要的输出信号即蛋白质。

与之前研究中需要用到蛋白质等复杂中间体相比,这些只包含RNA的细胞内纳米电路是生物计算机领域的重大突破。现在研究人员只要在计算机上设计出RNA电路的组成成分,将这些RNA的碱基加入活体细胞后,它们会按照预定路线,自组装成与想要的功能一致的RNA电路。

堪称天然的奔腾处理器芯片

早在1994年,南加州大学科学家伦纳德·阿德曼首次提出可以将数据存储在DNA中,并用一条DNA解决了超级计算机无法解答的一道复杂数学题。此后,用生命物质DNA和RNA研发计算机获得快速推进。今年7月,有研究人员将电影片段成功存储到细菌活体细胞中,且经过多代更迭后,存储在基因中的电影完好如初。

现在,格林团队开发出的RNA电路能在大肠杆菌活体细胞内执行多项计算功能。当两条RNA信息A和B出现时,“与”逻辑门会在细胞内产生“输出”命令;当出现RNA信息A或者B时,“或”逻辑门作出反应;如果输入的是不同于A或B的另一条RNA信息,“非”逻辑门就会挺身而出,切断输出信号。将这些不同的逻辑门结合在一起,就能形成更复杂的逻辑门,对多个任务输入同时作出反应。

格林团队利用RNA开关制成的首批RNA纳米设备,能同时处理4个“与”输入、6个“或”输入以及包含“与”“或”“非”在内的12个输入等复杂操作。这些分别执行感应功能和输出功能的不同电路,能够集成压缩到一个细胞内,让细胞形成蛋白质的过程变得更加简单。

可用于研制神经电路和类脑网络

之前,格林团队曾研发出一种低成本的RNA开关试纸,并证明其可作为精准检测寨卡病毒的诊断平台,寨卡病毒的RNA能激活RNA开关,诱导蛋白质形成,让试纸的颜色发生改变。这类RNA测试平台可进行扩展,开发出针对许多不同传染病的低成本精准诊断技术,用于医疗资源和医护人员急缺的发展中国家,应对传染病暴发的紧急情况。

格林表示,他们下一步将重点研究如何在活细胞内用RNA开关制作神经网路电路,像神经元对其他神经细胞的输入信号进行加权计算一样,这些神经电路能分析大量兴奋和抑制等信号,随时调整兴奋信号和抑制信号的比例。以此为基础,通过调控分子信号,诱导细胞间相互交流,最终形成能交互作用的类脑网络。“总之,我们的方法提供了一个通用策略,除了用于微生物,RNA电路完全可用于其他生物甚至人类身上,可以利用RNA电路对人类细胞重新编程,延伸其生物功能。

文章链接:

Alexander A. Green, et al, "Complex cellular logic computation using ribocomputing devices," Nature(2017), doi:10.1038/nature23271

(本文来源:科技日报北京7月31日电)

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作者 爬上海岸的鱼

高级软件工程师

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活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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