當(dāng)談到生物分子時(shí)，RNA并沒(méi)有得到很多的愛(ài)。也許你甚至沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)沉默的主力。RNA是細(xì)胞事實(shí)上的翻譯者：就像電話游戲一樣，RNA將DNA的遺傳密碼帶到一個(gè)叫做核糖體的細(xì)胞工廠。在那里，細(xì)胞根據(jù)RNA的信息制造蛋白質(zhì)。

但RNA不僅僅是一個(gè)中間人。它控制著蛋白質(zhì)的形成。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)在細(xì)胞周圍完成各種重要過(guò)程，你可以說(shuō)RNA是守門(mén)人：沒(méi)有RNA信息，沒(méi)有蛋白質(zhì)，沒(méi)有生命。

在Nature發(fā)表的一項(xiàng)新研究中，RNA終于占據(jù)了中心位置。通過(guò)向大腸桿菌細(xì)菌中添加一些遺傳物質(zhì)，Wyss研究所的生物黑客團(tuán)隊(duì)劫持了該生物體的RNA信使，使他們?cè)谀承┹斎牒蟛砰_(kāi)始行動(dòng)。

結(jié)果?一種細(xì)菌生物計(jì)算機(jī)，能夠執(zhí)行12輸入邏輯操作 - AND，OR和NOT-遵循特定輸入。這些生物電路不是輸出0和1，而是基于蛋白質(zhì)和其他分子的存在與否而產(chǎn)生結(jié)果。

亞利桑那州立大學(xué)的研究作者亞歷山大·格林博士說(shuō)：“這是一個(gè)細(xì)胞能夠處理的電路中最多的輸入。”“能夠分析這些信號(hào)并作出決定是這里的重大進(jìn)步。”

當(dāng)給出一組特定的輸入時(shí)，細(xì)菌會(huì)吐出一種蛋白質(zhì)，使它們?cè)跓晒鉄粝掳l(fā)出霓虹綠光。

但是，合成生物學(xué)不僅僅是一個(gè)派對(duì)技巧 - 通過(guò)修補(bǔ)細(xì)胞的RNA庫(kù)，科學(xué)家可能有一天會(huì)哄他們進(jìn)行光合作用，在飛行中生產(chǎn)昂貴的藥物，或者診斷和追捕流氓腫瘤細(xì)胞。

生活軟件

這不是科學(xué)家第一次劫持生命算法，將細(xì)胞重編程為納米計(jì)算系統(tǒng)。以前的工作已經(jīng)向世界介紹了酵母細(xì)胞，它可以從糖或哺乳動(dòng)物細(xì)胞中制造出可以執(zhí)行布爾邏輯的抗瘧疾藥物。

然而，具有多個(gè)輸入和輸出的電路仍難以編程。原因在于：合成生物學(xué)家傳統(tǒng)上專注于剪切，融合或以其他方式安排細(xì)胞DNA以產(chǎn)生他們想要的結(jié)果。

但DNA從蛋白質(zhì)中移除了兩步，修補(bǔ)生命代碼往往會(huì)導(dǎo)致意想不到的后果。首先，細(xì)胞可能甚至不接受并產(chǎn)生額外的DNA代碼。另一方面，添加的代碼在轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)時(shí)，可能不會(huì)在細(xì)胞的擁擠和不斷變化的環(huán)境中起作用。

更重要的是，修補(bǔ)一個(gè)基因通常不足以編程一個(gè)全新的電路。科學(xué)家經(jīng)常需要放大或關(guān)閉多個(gè)基因的活動(dòng)，或多個(gè)生物“模塊”，每個(gè)模塊由數(shù)十或數(shù)百個(gè)基因組成。

這就像試圖將特定訂單中的新樂(lè)高積木裝入充滿樂(lè)高結(jié)構(gòu)的房間。每一件新作品都有可能偏離軌道并點(diǎn)擊它不應(yīng)該觸摸的東西。

讓每個(gè)移動(dòng)組件同步工作 - 正如您可能已經(jīng)猜到的那樣 - 是一個(gè)巨大的麻煩。

RNA的方式

通過(guò)“ribocomputing”，Green和同事開(kāi)始著手解決合成生物學(xué)中的一個(gè)主要問(wèn)題：可預(yù)測(cè)性。

以“RNA”中的“R(ribo)”命名，該方法源于2012年首次擊中Green的想法。

“迄今為止，合成生物電路嚴(yán)重依賴于難以擴(kuò)大規(guī)模的蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)劑，”格林當(dāng)時(shí)寫(xiě)道。他解釋說(shuō)，我們只有極少數(shù)“可設(shè)計(jì)部件”運(yùn)行良好，而這些電路需要大量資源進(jìn)行編碼和操作。

相比之下，RNA更具可預(yù)測(cè)性。與其更著名的同胞DNA一樣，RNA由四種不同的單位組成：A，G，C和U.雖然RNA只是單鏈，而不是DNA已知的雙螺旋，它可以以一種非常可預(yù)測(cè)的方式結(jié)合短DNA樣序列：Gs總是與Cs匹配，而且與我們一樣。

由于這種可預(yù)測(cè)性，可以設(shè)計(jì)完美結(jié)合在一起的RNA組分。換句話說(shuō)，它減少了添加的RNA比特在毫無(wú)疑問(wèn)的細(xì)胞中變得流氓的可能性。

通常，一旦RNA產(chǎn)生，它立即沖向核糖體 - 細(xì)胞的蛋白質(zhì)構(gòu)建工廠。將其視為一個(gè)不斷“開(kāi)啟”的系統(tǒng)。

然而，格林和他的團(tuán)隊(duì)找到了一個(gè)減慢他們速度的聰明機(jī)制。它被稱為“立足點(diǎn)開(kāi)關(guān)”，它的工作方式如下：人工RNA組件首先被整合到A，G，C和U鏈中，折疊成回形針狀結(jié)構(gòu)。

這阻止了RNA進(jìn)入核糖體。因?yàn)橐粭lRNA鏈通常映射到一種蛋白質(zhì)，所以開(kāi)關(guān)可以防止蛋白質(zhì)被制造出來(lái)。

這樣，在布爾邏輯中，默認(rèn)情況下將開(kāi)關(guān)設(shè)置為“關(guān)閉” - “非”門(mén)。

為了激活開(kāi)關(guān)，細(xì)胞需要另一個(gè)組件：“觸發(fā)RNA”，它與RNA立足點(diǎn)開(kāi)關(guān)結(jié)合。這翻轉(zhuǎn)了：RNA抓住核糖體和bam蛋白。

BioLogic門(mén)

將幾個(gè)RNA開(kāi)關(guān)串在一起，每個(gè)開(kāi)關(guān)都依賴于之前的活動(dòng)，并形成一個(gè)“與”門(mén)?；蛘?，如果每個(gè)開(kāi)關(guān)的活動(dòng)是獨(dú)立的，那就是“或”門(mén)。

“基本上，立足點(diǎn)開(kāi)關(guān)的表現(xiàn)非常好，我們希望找到一種方法來(lái)最好地利用它們進(jìn)行蜂窩應(yīng)用，”格林說(shuō)。他補(bǔ)充說(shuō)，它們“相當(dāng)于你的第一個(gè)晶體管”。

一旦團(tuán)隊(duì)優(yōu)化了不同邏輯門(mén)的設(shè)計(jì)，他們就會(huì)小心翼翼地將開(kāi)關(guān)壓縮成“門(mén)RNA”分子。這些門(mén)RNA包含蛋白質(zhì)代碼和啟動(dòng)過(guò)程所需的邏輯操作 - 可以說(shuō)是分子邏輯電路。

如果您曾經(jīng)玩過(guò)Arduino控制的電路，您可能知道測(cè)試其功能的最簡(jiǎn)單方法是使用燈泡。

這就是團(tuán)隊(duì)在這里做的事情，雖然有一個(gè)生物燈泡：綠色熒光蛋白，一種通常不存在于細(xì)菌中的光感蛋白 - 當(dāng)打開(kāi)時(shí) - 使微生物發(fā)出霓虹綠。

在一系列實(shí)驗(yàn)中，格林和他的團(tuán)隊(duì)將門(mén)RNA基因插入細(xì)菌中。然后，根據(jù)邏輯函數(shù)的類型，他們添加了不同的觸發(fā)RNA組合 - 輸入。

當(dāng)輸入RNA與其相應(yīng)的門(mén)RNA匹配時(shí)，它在開(kāi)關(guān)上翻轉(zhuǎn)，導(dǎo)致細(xì)胞點(diǎn)亮。

它們最復(fù)雜的電路包含五個(gè)AND門(mén)，五個(gè)OR門(mén)和兩個(gè)NOT-一個(gè)12輸入的核電機(jī)，其功能與設(shè)計(jì)完全相同。

這是相當(dāng)?shù)某删?。西北大學(xué)的RNA研究員??Julies Lucks博士說(shuō)：“一切都與其他事物相互作用，這些相互作用有百萬(wàn)種方式可以解決事故的轉(zhuǎn)變。”

作者解釋說(shuō)，特異性歸功于RNA。因?yàn)镽NA可以預(yù)測(cè)地與其他RNA結(jié)合，所以我們現(xiàn)在可以設(shè)計(jì)大量的門(mén)和觸發(fā)單元庫(kù)，以混合和匹配所有類型的納米生物計(jì)算機(jī)。

RNA BioNanobots

雖然該技術(shù)沒(méi)有任何直接的應(yīng)用，但該團(tuán)隊(duì)寄予厚望。

這是第一次，現(xiàn)在可以大規(guī)模擴(kuò)大將新電路編程為活細(xì)胞的過(guò)程。作者說(shuō)，我們已經(jīng)擴(kuò)展了可用于重新編程生命基本代碼的可用生物組件庫(kù)。

更重要的是，當(dāng)凍干在一張薄紙上時(shí)，RNA保持良好狀態(tài)。這組作者說(shuō)，我們可能會(huì)將RNA立體開(kāi)關(guān)打印到對(duì)病毒或腫瘤細(xì)胞有反應(yīng)的紙上，從根本上將該技術(shù)轉(zhuǎn)化為高度準(zhǔn)確的診斷平臺(tái)。

但格林希望他的基于RNA的電路更加狂野。

“因?yàn)槲覀冋谑褂肦NA，一種通用的生命分子，我們知道這些相互作用也可以在其他細(xì)胞中起作用，所以我們的方法提供了一種可以移植到其他生物體的一般策略，”他說(shuō)。

最終，希望是將類似神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能力編程到身體的其他細(xì)胞中。

作者說(shuō)，想象一下，細(xì)胞具有能夠執(zhí)行大腦計(jì)算的電路。

也許有一天，合成生物學(xué)將我們自己的細(xì)胞轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆删幊痰膶?shí)體，將我們所有人從內(nèi)部轉(zhuǎn)變?yōu)樯餀C(jī)器人。這有多瘋狂?