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Nature:RNA生物计算机,让活细胞进行复杂逻辑运算!

2017/08/17 来源:IntelligentThings
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导读
最近,美国哈佛大学维斯生物启发工程研究所的团队制造出了一种新型RNA纳米器件,它存在于活细胞中,能感知多个复杂信号,作出类似于传统计算机的逻辑判定,精准控制蛋白质生产。

本文转载自“IntelligentThings”。

目前,合成生物学家正在将微生物细胞转化为“活”的器件,使之完成一些列有价值的任务,例如:生产药物、精细化学品和生物燃料、检测病原体和在体内释放治疗性分子。为了达到这个目的,他们让细胞符合人工分子机制,这种机制可以感知环境中的毒素、代谢水平和验证信号等一些列刺激。

这些合成生物学电路与电子电路非常相似,它们都可以处理信息和作出逻辑判定。之前,笔者也曾在《活细胞中的基因电路:可以进行复杂计算,治疗疾病》和《DNA计算机领域重要进展:DNA模拟电路进行数学运算》两篇文章中,分别介绍过美国麻省理工大学研制的合成生物学电路的运算方式、实现方式和应用领域,以及美国杜克大学研制的一种新型DNA计算机的工作方式和应用前景。

为了更直观的了解,大家可以参考下面的两张示意图,它们分别展示了合成生物学电路的逻辑与门和逻辑或门的示例。

(图片来源:维基百科)

(图片来源:维基百科)

然而,与电子电路不同之处在于,这些生物电路必需通过细胞生产的分子部件来制造,且它们必需在每个细胞中拥挤且不断变化的环境中运行。

迄今为止,合成生物学电路只能感知少数信号,对于宿主细胞情况描述并不完整。合成生物学家们也在通过不同类型的分子形式,描述几个活动部件,例如DNA、RNA和蛋白质。这些分子必需通过查找、绑定以及在一起工作,感知和处理信号。识别相互配合良好的分子存在一定难度,因此新型生物电路的开发成为了一种旷日持久且经常不可预知的过程。

创新

最近,美国哈佛大学维斯生物启发工程研究所(Harvard's Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering )的团队展示了一种一体化的解决方案,它能够浸透核糖核酸或者RNA分子,感知多个信号且作出逻辑判定,精准地控制蛋白质生产。

如下图所示:与计算机科学家们使用逻辑语言进行编程的方式相似,该方案具有精准的与、或和非的逻辑判定。“核糖计算器件”(黄色)可以感知和解释细胞内的多个信号,并且指导核糖体(蓝色和绿色)生产不同的蛋白质。

(图片来源:哈佛大学维斯研究所)

该研究成果发表于《自然》杂志,该方案创造出了基因编码的RNA纳米器件,它可以展开史无前例的12路输入逻辑操作,精准调节大肠杆菌中的荧光报告基因的表达,并且只在遇到复杂的、用户指定的细胞内刺激时进行。

如下图所示:基于RNA的‘核糖计算’器件可在活细胞内部进行逻辑判定。长的门RNA(蓝色)检测输入RNA(红色)的绑定。核糖体(紫色/淡紫色)读取门RNA生产一个输出的蛋白质。

(图片来源:Alexander Green / 亚利桑那州立大学)

在这项研究中,Yin 的研究小组和维斯核心教员、论文合著者 James Collins 博士、Pam Silver博士一起展开了合作。Collins 也是麻省理工学院医学工程和科学和生物工程专业的教授;Silver 是哈佛医学院系统生物学院生物化学和系统生物学的教授。

技术

2014年,该研究团队首次发表了所谓的“立足点开关”( Toehold Switches),它是由RNA制成,如同发夹一般的可编程纳米结构。后来,研究团队逐渐由它演变到如今的方案。

原则上,RNA“立足点开关”可以控制特定的蛋白质生产:当一个期望的互补性“触发器”RNA(它可以作为细胞自然的RNA的一部分)出现,且与“立足点开关”发生绑定时,发夹结构会被打开。只有到那时,细胞的核糖体才可以访问RNA,且生产出期望的蛋白质。

文章的共同第一作者 Alexander Green 博士说:“我们希望充分利用‘立足点开关’的可编程性,找到一条智能途径,以拓展活细胞的决策功能。现在通过核糖计算器件,我们能将蛋白质生产和许多不同输入的RNA特定组合结合起来,且只有在条件允许的情况下才激活生产。

“一旦我们搞清楚如何使用‘立足点开关’和RNA分子,编码基本逻辑操作例如:与、或、 非,我们就能将此功能精简至一个精心设计的分子中,我们称之为门RNA。使用门RNA让核糖计算器件在基因方面更加紧凑,且按比例放大了电路,让细胞可以进行更加复杂的操作。”

价值

这种可编程纳米器件有望使得研究人员构造出更加复杂的合成生物学电路,使他们能够有效地分析复杂的细胞环境,并且作出精准的反应。

这项研究的领头人、维斯研究所的核心教员、哈佛医学院系统生物学教授 Peng Yin博士说:

“我们展示了一种RNA分子,它经过工程设计后变成可编程的、具有逻辑功能的‘核糖计算器件’。这项纳米技术和合成生物学领域的突破性进展,将使我们能设计出更加可靠的合成生物学电路,更多地意识到与特定目标相关的环境影响。”

论文的共同第一作者、博士后研究员 Jongmin Kim 博士称:“我们甚至成功地部署了两个独立的门RNA,表达细菌细胞中不同的荧光蛋白。它开启了新的可能性,即设计多个门RNA,同时在同一细胞内工作,以构建全细胞生物传感器。另外,我们相信经过实验检验的核糖计算器件,能够通过简单地转化,应用于不同的微生物。

除了在不同的活生物体中的使用,核糖计算设备也可以用于无细胞的场景。Collins 说:“这些基于逻辑的RNA能在纸上冷干,从而增加了基于纸张的生物电路的可行性,例如用于诊断学,在临床样品中,感知并整合几个与疾病相关的信号。”

维斯的创始董事、哈佛医学院血管生物学和波士顿儿童医院血管生物学项目的教授、哈佛工程和应用科学学院的教授 Donald Ingber 说:“由RNA形式的活材料制成的计算纳米器件的发明,以及由Peng Yin和他的团队开拓的核糖计算,极大地拓展了活细胞中的合成生物学的应用领域。这个领域的进展一年比一年快,而且它代表了又一个飞速发展的领域。

该研究对智能药物设计与投送、绿色能源和低成本诊断技术等均有重要价值,合成生物学家期望未来能利用RNA计算能力来诱导细菌进行光合作用、在果蝇体内合成昂贵的药物,或者诊断和消灭肿瘤细胞。

参考资料

Programming Cells With Computer-Like Logic

Complex cellular logic computation using ribocomputing devices

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