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實習醫生日記之頑固失眠

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Nature:重大突破!利用RNA計算納米設備開展復雜的細胞邏輯運算

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摘要:圖片來自年月日生物谷在一項新的研究中來自美國亞利桑那州立大學哈佛大學麻省理工學院和布羅德研究所的研究人員證實了活細胞能夠經誘導以一種微型機器人或計算機的形式執行計算相關研究結果發表在年月日的期刊上論文標題為
Nature:重大突破!利用RNA計算納米設備開展復雜的細胞邏輯運算
圖片來自Wyss Institute at Harvard University
2017年8月5日/生物谷BIOON/---在一項新的研究中,來自美國亞利桑那州立大學、哈佛大學、麻省理工學院和布羅德研究所的研究人員證實了活細胞能夠經誘導以一種微型機器人或計算機的形式執行計算。相關研究結果發表在2017年8月3日的Nature期刊上,論文標題為“Complex cellular logic computation using ribocomputing devices”。論文通信作者為亞利桑那州立大學生物設計研究所教授Alex Green博士和哈佛醫學院威斯生物啟發工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)系統生物學教授尹鵬(Peng Yin)博士。

這項研究的結果對智能藥物設計、智能藥物運送、綠色能量產生和低成本診斷技術,甚至在未來開發能夠捕獲癌細胞或關閉異常基因的納米機器,產生重要的影響。

Green說,“我們正在利用可預測的和可編程的RNA-RNA相互作用來確定這些相互作用能夠發揮什么功能。這意味著我們能夠利用計算機軟件來設計RNA序列,并且讓這些RNA序列在細胞中以我們想要它們發揮作用的方式發揮作用。這就使得這種設計過程更加快速地完成。”

定制RNA(Designer RNA)

這種設計方法使用由RNA組成的回路。這些類似于常規電路的回路設計在細菌細胞中自我組裝,從而允許它們檢測輸入的信息,并且通過產生一種特定的計算輸出(就這項研究而言,指的是一種蛋白)對這些信息作出反應。

在這項新的研究中,這些研究人員首先在實驗室中設計出被稱作邏輯門的特定回路,隨后將它們整合到活細胞中。當以RNA片段形式的信息自我結合到細胞回路中的互補性RNA序列上時,這些微小的回路開關就被松開,從而激活這種邏輯門和產生一種期望的輸出。

這些RNA開關能夠以多種方式進行組合,從而產生更加復雜的邏輯門來評估多種輸入并且針對這些輸入作出反應,這正如一臺簡單的計算機可能接收多種變量,執行加減等運算,以便獲得最終的結果。

這項新的研究顯著地改善細胞計算執行的簡易性。這種僅基于RNA產生細胞納米設備的方法是一項重大的突破,這是因為早期的研究需要使用復雜的中間物,如蛋白。如今,必需的RNA計算零件(ribocomputing parts)能夠容易地在計算機上進行設計。RNA的四個核苷酸字母(A、C、G和U)的堿基配對性質確保這些零件在在活細胞中發生可預測的自我組裝和發揮功能。

Green在這個領域的研究開始于哈佛醫學院威斯生物啟發工程研究所,在那里,他協助開發了在細胞回路中使用的重要組件,即RNA支點開關(RNA toehold switch)。Green說,“首批實驗是在2012年開展的。從根本上來說,這些RNA支點開關表現得如此之好以至于我們想要找到一種很好地將它們用于細胞應用中的方法。”

利用RNA而不是DNA設計細胞回路

1994年,美國南加州大學的Leonard Adleman首次證實利用DNA和RNA執行類似于計算機的計算是可行的。從那以后,這個領域獲得快速的發展。最近,這種分子計算已成功地在活細胞中實現。(細菌細胞通常用于這種目的,這是因為它們更加簡單和更容易操縱。)

這項研究中描述的技術充分利用了一個事實:不同于DNA,RNA當在細胞中產生時是單鏈的。這就允許人們設計RNA回路,而且互補的RNA鏈結合到這種設計的回路中暴露的RNA序列上時能夠激活這種回路。這種互補RNA鏈的結合是有規律的和可預測的:堿基A總是與堿基U配對,堿基C總是與堿基G配對。

鑒于這種回路的所有處理元件是利用RNA制造出的,以及RNA能夠呈現出天文數量的潛在序列,這種新描述的方法的真正強大之處在于它能夠同時執行很多運算。這種平行處理能力允許開展更快的和更加復雜的計算,同時確保高效地利用有限的細胞資源。

邏輯結果

在這項新的研究中,這些研究人員設計出AND、OR和NOT邏輯門。AND邏輯門僅當兩個RNA信息A和B都存在時,才會在細胞中產生一種輸出。OR邏輯門對信息A或B作出反應,然而如果一種給定的RNA輸入存在的話,那么NOT邏輯門將不會產生輸出。對這些邏輯門進行組合能夠產生復雜的邏輯,從而能夠對多種輸入作出反應。

利用RNA支點開關,這些研究人員產生首批能夠開展四輸入AND邏輯運算和六輸入OR邏輯運算的RNA計算設備和一種能夠開展復雜的AND、OR和NOT邏輯門組合(也被稱作析取正則形式)的12輸入設備。當邏輯門遇到正確的RNA結合序列而被激活時,一個RNA支點開關打開,蛋白翻譯過程發生。所有的這些回路檢測和輸出功能能夠整合到相同的分子中,這就是使得這種系統比較緊湊,而且更容易在細胞中執行。

這項研究代表著利用高度通用的RNA支點開關正在進行的研究的下一個階段。在早前的研究中,Green和他的同事們已證實一種廉價的基于試紙的RNA支點開關陣列能夠作為一種高度準確的平臺診斷寨卡病毒。利用這種陣列檢測病毒RNA會激活這些RNA支點開關,從而觸發蛋白產生。這種蛋白的產生在這種陣列上表現為顏色變化。

這種利用基于RNA的設備調節蛋白產生的基本原則能夠應用于幾乎任何一種RNA輸入,從而引領開發新一代的準確地和低成本地檢測一系列疾病的診斷方法。這種不含細胞的方法特別適用于在發展中國家出現的威脅和爆發的流行病。畢竟在發展中國家,醫療資源和醫務人員可能是有限的。

細胞內部的計算機

根據Green的說法,研究的下一個階段將著重關注利用RNA支點開關技術在活細胞中產生所謂的神經網絡,即能夠分析大量的興奮性輸入和抑制性輸入、對它們進行平均化并且一旦達到一種特定的活性閾值就產生一種輸出的回路。最終,這些研究人員希望細胞彼此之間通過可編程的分子信號進行通信,從而形成一種真正互動性的類似大腦的網絡。

Green說,“鑒于我們正在使用RNA,以及RNA是一種普遍存在的生命分子,我們知道這些相互作用也能夠在其他的細胞中發生,因此我們的方法提供一種可能能夠移植到其他有機體中的一般策略。”他展望在未來,人細胞會成為完全可編程的具有廣泛生物學功能的實體。(生物谷 Bioon.com)

參考資料:

Alexander A. Green, Jongmin Kim, Duo Ma et al. Complex cellular logic computation using ribocomputing devices. Nature, 03 August 2017, 548(7665):117–121, doi:10.1038/nature23271

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