由细胞制成的生物计算机现在可以处理更复杂的逻辑

当谈到生物分子时，RNA并没有得到很多的爱。也许你甚至没有听说过沉默的主力。RNA是细胞事实上的翻译者：就像电话游戏一样，RNA将DNA的遗传密码带到一个叫做核糖体的细胞工厂。在那里，细胞根据RNA的信息制造蛋白质。

但RNA不仅仅是一个中间人。它控制着蛋白质的形成。因为蛋白质在细胞周围完成各种重要过程，你可以说RNA是守门人：没有RNA信息，没有蛋白质，没有生命。

在Nature发表的一项新研究中，RNA终于占据了中心位置。通过向大肠杆菌细菌中添加一些遗传物质，Wyss研究所的生物黑客团队劫持了该生物体的RNA信使，使他们在某些输入后才开始行动。

结果?一种细菌生物计算机，能够执行12输入逻辑操作 - AND，OR和NOT-遵循特定输入。这些生物电路不是输出0和1，而是基于蛋白质和其他分子的存在与否而产生结果。

亚利桑那州立大学的研究作者亚历山大·格林博士说：“这是一个细胞能够处理的电路中最多的输入。”“能够分析这些信号并作出决定是这里的重大进步。”

当给出一组特定的输入时，细菌会吐出一种蛋白质，使它们在荧光灯下发出霓虹绿光。

但是，合成生物学不仅仅是一个派对技巧 - 通过修补细胞的RNA库，科学家可能有一天会哄他们进行光合作用，在飞行中生产昂贵的药物，或者诊断和追捕流氓肿瘤细胞。

生活软件

这不是科学家第一次劫持生命算法，将细胞重编程为纳米计算系统。以前的工作已经向世界介绍了酵母细胞，它可以从糖或哺乳动物细胞中制造出可以执行布尔逻辑的抗疟疾药物。

然而，具有多个输入和输出的电路仍难以编程。原因在于：合成生物学家传统上专注于剪切，融合或以其他方式安排细胞DNA以产生他们想要的结果。

但DNA从蛋白质中移除了两步，修补生命代码往往会导致意想不到的后果。首先，细胞可能甚至不接受并产生额外的DNA代码。另一方面，添加的代码在转化为蛋白质时，可能不会在细胞的拥挤和不断变化的环境中起作用。

更重要的是，修补一个基因通常不足以编程一个全新的电路。科学家经常需要放大或关闭多个基因的活动，或多个生物“模块”，每个模块由数十或数百个基因组成。

这就像试图将特定订单中的新乐高积木装入充满乐高结构的房间。每一件新作品都有可能偏离轨道并点击它不应该触摸的东西。

让每个移动组件同步工作 - 正如您可能已经猜到的那样 - 是一个巨大的麻烦。

RNA的方式

通过“ribocomputing”，Green和同事开始着手解决合成生物学中的一个主要问题：可预测性。

以“RNA”中的“R(ribo)”命名，该方法源于2012年首次击中Green的想法。

“迄今为止，合成生物电路严重依赖于难以扩大规模的蛋白质调节剂，”格林当时写道。他解释说，我们只有极少数“可设计部件”运行良好，而这些电路需要大量资源进行编码和操作。

相比之下，RNA更具可预测性。与其更着名的同胞DNA一样，RNA由四种不同的单位组成：A，G，C和U.虽然RNA只是单链，而不是DNA已知的双螺旋，它可以以一种非常可预测的方式结合短DNA样序列：Gs总是与Cs匹配，而且与我们一样。

由于这种可预测性，可以设计完美结合在一起的RNA组分。换句话说，它减少了添加的RNA比特在毫无疑问的细胞中变得流氓的可能性。

通常，一旦RNA产生，它立即冲向核糖体 - 细胞的蛋白质构建工厂。将其视为一个不断“开启”的系统。

然而，格林和他的团队找到了一个减慢他们速度的聪明机制。它被称为“立足点开关”，它的工作方式如下：人工RNA组件首先被整合到A，G，C和U链中，折叠成回形针状结构。

这阻止了RNA进入核糖体。因为一条RNA链通常映射到一种蛋白质，所以开关可以防止蛋白质被制造出来。

这样，在布尔逻辑中，默认情况下将开关设置为“关闭” - “非”门。

为了激活开关，细胞需要另一个组件：“触发RNA”，它与RNA立足点开关结合。这翻转了：RNA抓住核糖体和bam蛋白。

BioLogic门

将几个RNA开关串在一起，每个开关都依赖于之前的活动，并形成一个“与”门。或者，如果每个开关的活动是独立的，那就是“或”门。

“基本上，立足点开关的表现非常好，我们希望找到一种方法来最好地利用它们进行蜂窝应用，”格林说。他补充说，它们“相当于你的第一个晶体管”。

一旦团队优化了不同逻辑门的设计，他们就会小心翼翼地将开关压缩成“门RNA”分子。这些门RNA包含蛋白质代码和启动过程所需的逻辑操作 - 可以说是分子逻辑电路。

如果您曾经玩过Arduino控制的电路，您可能知道测试其功能的最简单方法是使用灯泡。

这就是团队在这里做的事情，虽然有一个生物灯泡：绿色荧光蛋白，一种通常不存在于细菌中的光感蛋白 - 当打开时 - 使微生物发出霓虹绿。

在一系列实验中，格林和他的团队将门RNA基因插入细菌中。然后，根据逻辑函数的类型，他们添加了不同的触发RNA组合 - 输入。

当输入RNA与其相应的门RNA匹配时，它在开关上翻转，导致细胞点亮。

它们最复杂的电路包含五个AND门，五个OR门和两个NOT-一个12输入的核电机，其功能与设计完全相同。

这是相当的成就。西北大学的RNA研究员​​Julies Lucks博士说：“一切都与其他事物相互作用，这些相互作用有百万种方式可以解决事故的转变。”

作者解释说，特异性归功于RNA。因为RNA可以预测地与其他RNA结合，所以我们现在可以设计大量的门和触发单元库，以混合和匹配所有类型的纳米生物计算机。

RNA BioNanobots

虽然该技术没有任何直接的应用，但该团队寄予厚望。

这是第一次，现在可以大规模扩大将新电路编程为活细胞的过程。作者说，我们已经扩展了可用于重新编程生命基本代码的可用生物组件库。

更重要的是，当冻干在一张薄纸上时，RNA保持良好状态。这组作者说，我们可能会将RNA立体开关打印到对病毒或肿瘤细胞有反应的纸上，从根本上将该技术转化为高度准确的诊断平台。

但格林希望他的基于RNA的电路更加狂野。

“因为我们正在使用RNA，一种通用的生命分子，我们知道这些相互作用也可以在其他细胞中起作用，所以我们的方法提供了一种可以移植到其他生物体的一般策略，”他说。

最终，希望是将类似神经网络的能力编程到身体的其他细胞中。

作者说，想象一下，细胞具有能够执行大脑计算的电路。

也许有一天，合成生物学将我们自己的细胞转变为完全可编程的实体，将我们所有人从内部转变为生物机器人。这有多疯狂?