? ? ? ?近日出版的《自然》雜志刊登了一篇研究論文：美國亞利桑那州立大學(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)雜的生物計算機。該計算機由 RNA（核糖核酸）制成，能在大腸桿菌活細胞內(nèi)對 12 種不同指令同時作出反應(yīng)，控制細菌細胞的行為。

? ? ? ?研究團隊在大腸桿菌的活體細胞內(nèi)誘導(dǎo)形成的 RNA 電路，能像微型機器人和數(shù)字計算機一樣執(zhí)行計算指令。格林表示，他們可以用計算機軟件設(shè)計想要的 RNA 序列，并利用這些可以預(yù)測和編程的 RNA 相互作用，來構(gòu)筑生物電路，這對智能藥物設(shè)計、智能給藥系統(tǒng)、綠色能源生產(chǎn)、低成本診斷技術(shù)，以及未來開發(fā)出用于追蹤癌細胞或關(guān)閉惡性變異基因等的納米機器，具有重要意義。

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

? ? ? ?格林團隊在實驗室設(shè)計出名叫“邏輯門”的特殊 RNA 電路，然后插入大腸桿菌的活體細胞內(nèi)。其能像傳統(tǒng)數(shù)字電路一樣，用“與”“或”“非”進行邏輯決定，只是傳統(tǒng)數(shù)字電路輸入輸出的是電壓信號，生物電路用特定化合物或蛋白質(zhì)代替電壓信號。當(dāng)作為輸入信息的 RNA 片段，與電路中 RNA 序列互補時，兩者會結(jié)合，RNA 開關(guān)被打開，邏輯門得到激活，從而產(chǎn)生想要的輸出信號即蛋白質(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 的細胞內(nèi)納米電路是生物計算機領(lǐng)域的重大突破。現(xiàn)在研究人員只要在計算機上設(shè)計出 RNA 電路的組成成分，將這些 RNA 的堿基加入活體細胞后，它們會按照預(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)存儲在 DNA 中，并用一條 DNA 解決了超級計算機無法解答的一道復(fù)雜數(shù)學(xué)題。此后，用生命物質(zhì) DNA 和 RNA 研發(fā)計算機獲得快速推進。今年 7 月，有研究人員將電影片段成功存儲到細菌活體細胞中，且經(jīng)過多代更迭后，存儲在基因中的電影完好如初。

? ? ? ?現(xiàn)在，格林團隊開發(fā)出的 RNA 電路能在大腸桿菌活體細胞內(nèi)執(zhí)行多項計算功能。當(dāng)兩條 RNA 信息 A 和 B 出現(xiàn)時，“與”邏輯門會在細胞內(nèi)產(chǎn)生“輸出”命令;當(dāng)出現(xiàn) RNA 信息 A 或者 B 時，“或”邏輯門作出反應(yīng);如果輸入的是不同于 A 或 B 的另一條 RNA 信息，“非”邏輯門就會挺身而出，切斷輸出信號。將這些不同的邏輯門結(jié)合在一起，就能形成更復(fù)雜的邏輯門，對多個任務(wù)輸入同時作出反應(yīng)。

? ? ? ?格林團隊利用 RNA 開關(guān)制成的首批 RNA 納米設(shè)備，能同時處理 4 個“與”輸入、6 個“或”輸入以及包含“與”“或”“非”在內(nèi)的 12 個輸入等復(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細胞內(nèi)，讓細胞形成蛋白質(zhì)的過程變得更加簡單。

可用于研制神經(jīng)電路和類腦網(wǎng)絡(luò)

? ? ? ? 之前，格林團隊曾研發(fā)出一種低成本的 RNA 開關(guān)試紙，并證明其可作為精準(zhǔn)檢測寨卡病毒的診斷平臺，寨卡病毒的 RNA 能激活 RNA 開關(guān)，誘導(dǎo)蛋白質(zhì)形成，讓試紙的顏色發(fā)生改變。這類 RNA 測試平臺可進行擴展，開發(fā)出針對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)護人員急缺的發(fā)展中國家，應(yīng)對傳染病暴發(fā)的緊急情況。

? ? ? ? 格林表示，他們下一步將重點研究如何在活細胞內(nèi)用 RNA 開關(guān)制作神經(jīng)網(wǎng)路電路，像神經(jīng)元對其他神經(jīng)細胞的輸入信號進行加權(quán)計算一樣，這些神經(jīng)電路能分析大量興奮和抑制等信號，隨時調(diào)整興奮信號和抑制信號的比例。以此為基礎(chǔ)，通過調(diào)控分子信號，誘導(dǎo)細胞間相互交流，最終形成能交互作用的類腦網(wǎng)絡(luò)。“總之，我們的方法提供了一個通用策略，除了用于微生物，RNA 電路完全可用于其他生物甚至人類身上，可以利用 RNA 電路對人類細胞重新編程，延伸其生物功能。”