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RNA处理器:新生物计算机能并行处理多个复杂信号

  • 时间:2017-08-01 11:42
  • 发布:cnBeta
  • 来源:cnBeta

RNA处理器:新生物计算机能并行处理多个复杂信号

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。

RNA 分子内的环状和其他形状的结构可以充当逻辑门,对输入信号作出反应,合成蛋白质(即输出信号)

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”“”“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 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 B 出现时,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,逻辑门作出反应;如果输入的是不同于 A B 的另一条 RNA 信息,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 输入、6 输入以及包含”“”“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。

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