為什么我們可以治愈傷口，但不能長出斷肢?邁克爾萊文認(rèn)為關(guān)鍵在于我們的細(xì)胞用來互相交流的秘密電子語言，他認(rèn)為我們離破解代碼還有一段距離。

希望是，如果我們能夠?qū)W會(huì)理解和控制這些信號，我們最終可能能夠幫助人類再生受損的肢體和器官，修復(fù)先天缺陷，甚至重新編程癌癥。我采訪了Levin，看看進(jìn)展如何。

Edd Gent：你能概述一下你實(shí)驗(yàn)室的使命嗎？

Michael Levin：

首先，我們想了解生物系統(tǒng)如何處理信息。因此，我們對活組織如何做出決策，如何存儲(chǔ)記憶，細(xì)胞如何與特定結(jié)果合作感興趣。

一旦我們更好地了解生物系統(tǒng)如何做出決策，我們就能夠?yàn)樯镝t(yī)學(xué)目的操縱這些決策。例如，重新編程腫瘤并導(dǎo)致?lián)p傷的修復(fù)和再生。因此，我們的目標(biāo)是真正理解然后醫(yī)學(xué)上利用生活組織的驚人能力來計(jì)算和處理信息。

EG：你的方法與其他實(shí)驗(yàn)室的方法有何不同？

ML：

有許多實(shí)驗(yàn)室正在研究細(xì)胞和組織如何運(yùn)作的分子機(jī)制。但我們感興趣的不僅僅是那些機(jī)制，還有信息內(nèi)容和細(xì)胞和組織正在使用的算法。我們處于一個(gè)新興的領(lǐng)域，稱為原始認(rèn)知，這是一個(gè)系統(tǒng)不一定是大腦的問題 - 從植物到單細(xì)胞生物到組織處理信息。

除了每個(gè)人研究的常見生物化學(xué)和分子方面，我們一直在開發(fā)一種全新的細(xì)胞通訊理解。事實(shí)證明，所有細(xì)胞，而不僅僅是神經(jīng)元，都是電子通信的。我們是第一個(gè)開發(fā)分子工具來真正傾聽細(xì)胞和組織彼此之間的所有電子對話，并制定改變這些對話的策略。因此，我們不僅可以控制單個(gè)細(xì)胞行為，更重要的是，我們可以通過改變細(xì)胞間的電通信來控制大規(guī)模的體型形成和再生。

EG：我們對電子通訊在發(fā)展和再生中的作用了解多少？

ML：

我們現(xiàn)在所知道的是，電信號在許多再生事件中非常重要。我們不知道的是，為人類生物醫(yī)學(xué)操縱這些東西是多么容易或多么困難。我們已經(jīng)展示了在非人類模型系統(tǒng)以及文化中的人類細(xì)胞中一些非常有希望的控制類型的應(yīng)用。但它如何在成年人身上發(fā)揮作用尚不清楚。

關(guān)于電子特性如何編碼大規(guī)模模式還有很多東西要發(fā)現(xiàn)。未來十年或更長時(shí)間的巨大挑戰(zhàn)是了解全球范圍內(nèi)的電氣特性如何控制器官大小，器官形狀，器官位置和器官特征。

我們工作中出現(xiàn)的最令人驚訝和最重要的事情之一是，如果你適當(dāng)?shù)毓芾砩镫娐?，你可以在不觸及基因組的情況下獲得與該物種的標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)值完全不同的[體]形狀結(jié)果。事實(shí)證明，基因組編碼硬件。但是一旦你擁有了這個(gè)硬件，在它上面運(yùn)行的軟件，即電池發(fā)送給彼此的所有電信號，都是非常具有可塑性的。因此，基因組與解剖學(xué)之間的關(guān)系并不像人們想象的那樣，盡管有正常的基因組，但仍有很多機(jī)會(huì)進(jìn)行改變。

EG：生物電是否負(fù)責(zé)管理人體計(jì)劃和再生？

ML：

電信號與細(xì)胞使用的所有其他類型的信號配合，如化學(xué)信號或物理力，如應(yīng)力，壓力和張力。所以它絕對不是唯一的，但我們關(guān)注它的原因是因?yàn)槲艺J(rèn)為它是控制決策最容易控制的信號之一。

研究表明，生物電是細(xì)胞和組織做出大規(guī)模決策的方式，因此它是一個(gè)非常易處理的控制點(diǎn)。它不是唯一的控制點(diǎn)，但它似乎有很多優(yōu)點(diǎn)，我認(rèn)為這是因?yàn)檫M(jìn)化很早就發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)是一種非常好的計(jì)算方法。我們的大腦使用電網(wǎng)并且我們的計(jì)算機(jī)使用電網(wǎng)并不是巧合。

EG：這是否意味著生命系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)如何處理信息之間存在重要的重疊？

ML：

我不是說生活紙巾的運(yùn)行方式與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的運(yùn)作方式相同。然而，我們在計(jì)算機(jī)科學(xué)中學(xué)到的東西向我們展示了一種了解生物組織如何利用電力的方法，這是硬件和軟件之間的區(qū)別。我認(rèn)為這非常深刻，我認(rèn)為這是推動(dòng)計(jì)算機(jī)科學(xué)推動(dòng)信息技術(shù)革命的原因。

但我們需要的不僅僅是能夠搞亂硬件，我們實(shí)際上需要能夠控制決策制定以及細(xì)胞和組織正在使用的算法來弄清楚他們應(yīng)該做些什么。如果在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域沒有發(fā)生這種情況，我們?nèi)匀粫?huì)通過移動(dòng)電線進(jìn)行編程。這就是我們進(jìn)行信息技術(shù)革命的原因，因?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)家想出了如何在信息控制層面處理，而不是在硬件本身層面。生物學(xué)和醫(yī)學(xué)必須朝這個(gè)方向發(fā)展。

EG：你最近的一些突破是什么？

ML：

我們最近在再生扁蟲模型中展示的一件事是，同一個(gè)身體可以存儲(chǔ)至少兩種不同的模式記憶。如果你看一下解剖學(xué)和分子標(biāo)記，這是完全正常的，你無法區(qū)分它們。但我們所做的是改寫這種動(dòng)物將要用來決定如果在將來受傷的情況下如何再生的生物電模式。

如果你切掉這些改變過的蠕蟲中的一個(gè)，它們將用兩個(gè)頭重新生成，每個(gè)末端一個(gè)，所以尾部會(huì)有一個(gè)頭部。對于發(fā)育和再生生物學(xué)來說，這是完全的震撼，具有相同基因組的相同身體可以存儲(chǔ)多于一種可能的電學(xué)模式，其用作再生的記憶。您可以在不更改基因組序列的情況下執(zhí)行此操作。

我們還進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，用各種致畸物 - 化合物治療胚胎青蛙，這些化合物會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的胚胎腦缺陷，包括基因突變。我們可以使用我們對胚胎電模式的修改來拯救具有正常形狀的正常大腦，具有正常的基因表達(dá)和幾乎正常的行為，即使存在那些致畸物。這是再生醫(yī)學(xué)使用電狀態(tài)操縱來修復(fù)先天缺陷的原理的證明。

EG：您未來的工作有哪些實(shí)際應(yīng)用？

ML：

申請分為四大類。首先是識別和修復(fù)先天缺陷的能力。損傷的再生醫(yī)學(xué)應(yīng)該是另一種。第三個(gè)應(yīng)用將是癌癥。我們的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)表了幾篇有趣的論文，表明你可以通過適當(dāng)管理生物電學(xué)來重新編程腫瘤。

最后一個(gè)應(yīng)用是合成生物學(xué)。目前，合成生物學(xué)主要在單細(xì)胞中完成，重新編程細(xì)胞以清除毒素并制造藥物等等。合成生物學(xué)的未來在于合成形態(tài)學(xué)。我們的想法是創(chuàng)造生活功能性人造生物機(jī)器。這可能是從移植文化中的器官生長到制作以前從未存在的小生物機(jī)器人做任何事情的任何事情。

EG：這些實(shí)際應(yīng)用有多遠(yuǎn)？

ML：

我認(rèn)為這是不可能預(yù)測的，但為了給你一個(gè)通用范圍，我很確定其中一些應(yīng)用程序?qū)⒃谖磥硎陜?nèi)推出。癌癥可能是一種懸而未決的果實(shí)。一些合成生物工程的東西肯定會(huì)在未來幾年上線。

肢體再生需要更長的時(shí)間，但我也認(rèn)為這很有可能。出生缺陷的東西我希望在未來幾年看到一些重要的應(yīng)用。不過，我不是臨床醫(yī)生。我的實(shí)驗(yàn)室不做人工臨床工作，所以我們發(fā)現(xiàn)的一切都是基礎(chǔ)科學(xué)，我們依靠合作者和在生物醫(yī)學(xué)界面工作的人來獲取我們的發(fā)現(xiàn)并將其轉(zhuǎn)化為醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

重要的是，控制許多這些生物電過程的方法是通過靶向離子通道。所有針對離子通道的現(xiàn)有藥物 - 其中有許多 - 制作了一個(gè)非常強(qiáng)大的工具包。它們已被批準(zhǔn)用于人類，這意味著它們可以很容易地部署。

我們正在開發(fā)一個(gè)AI平臺(tái)，可以幫助為特定目的挑選藥物。你將能夠描述你想要的結(jié)果，它將使用一套生物電模擬器和藥物數(shù)據(jù)庫來嘗試選擇能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)的藥物雞尾酒。一旦上線，這可能需要一兩年的時(shí)間，它將真正加快人們將這項(xiàng)研究轉(zhuǎn)向生物醫(yī)學(xué)的能力。