新生物計算機——讓RNA處理器在活細胞中“奔騰”

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教授艾利克斯·格林和哈佛大學維斯生物啟發工程研究所合作，研制出迄今為止最復雜的生物計算機。該計算機由RNA（核糖核酸）制成，能在大腸杆菌活細胞內對12種不同指令同時作出反應，控制細菌細胞的行為。

研究團隊在大腸杆菌的活體細胞內誘導形成的RNA電路，能像微型機器人和數字計算機一樣執行計算指令。格林表示，他們可以用計算機軟件設計想要的RNA序列，並利用這些可以預測和編程的RNA相互作用，來構筑生物電路，這對智能藥物設計、智能給藥系統、綠色能源生產、低成本診斷技術，以及未來開發出用於追蹤癌細胞或關閉惡性變異基因等的納米機器，具有重要意義。

不同鹼基在活細胞內自成RNA電路

早在2012年攻讀博士后期間，格林就參與研發細胞電路的中心組件——RNA開關。這些RNA開關性能完善后，他們開始在活體細胞內開發更復雜的系統。

格林團隊在實驗室設計出名叫“邏輯門”的特殊RNA電路，然后插入大腸杆菌的活體細胞內。其能像傳統數字電路一樣，用“與”“或”“非”進行邏輯決定，只是傳統數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代替電壓信號。當作為輸入信息的RNA片段，與電路中RNA序列互補時，兩者會結合，RNA開關被打開，邏輯門得到激活，從而產生想要的輸出信號即蛋白質。

與之前研究中需要用到蛋白質等復雜中間體相比，這些隻包含RNA的細胞內納米電路是生物計算機領域的重大突破。現在研究人員隻要在計算機上設計出RNA電路的組成成分，將這些RNA的鹼基加入活體細胞后，它們會按照預定路線，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，南加州大學科學家倫納德·阿德曼首次提出可以將數據存儲在DNA中，並用一條DNA解決了超級計算機無法解答的一道復雜數學題。此后，用生命物質DNA和RNA研發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，且經過多代更迭后，存儲在基因中的電影完好如初。

現在，格林團隊開發出的RNA電路能在大腸杆菌活體細胞內執行多項計算功能。當兩條RNA信息A和B出現時，“與”邏輯門會在細胞內產生“輸出”命令﹔當出現RNA信息A或者B時，“或”邏輯門作出反應﹔如果輸入的是不同於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合在一起，就能形成更復雜的邏輯門，對多個任務輸入同時作出反應。

格林團隊利用RNA開關制成的首批RNA納米設備，能同時處理4個“與”輸入、6個“或”輸入以及包含“與”“或”“非”在內的12個輸入等復雜操作。這些分別執行感應功能和輸出功能的不同電路，能夠集成壓縮到一個細胞內，讓細胞形成蛋白質的過程變得更加簡單。

可用於研制神經電路和類腦網絡

之前，格林團隊曾研發出一種低成本的RNA開關試紙，並証明其可作為精准檢測寨卡病毒的診斷平台，寨卡病毒的RNA能激活RNA開關，誘導蛋白質形成，讓試紙的顏色發生改變。這類RNA測試平台可進行擴展，開發出針對許多不同傳染病的低成本精准診斷技術，用於醫療資源和醫護人員急缺的發展中國家，應對傳染病暴發的緊急情況。

格林表示，他們下一步將重點研究如何在活細胞內用RNA開關制作神經網路電路，像神經元對其他神經細胞的輸入信號進行加權計算一樣，這些神經電路能分析大量興奮和抑制等信號，隨時調整興奮信號和抑制信號的比例。以此為基礎，通過調控分子信號，誘導細胞間相互交流，最終形成能交互作用的類腦網絡。“總之，我們的方法提供了一個通用策略，除了用於微生物，RNA電路完全可用於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。”（記者 聶翠蓉）