科学家们破解了一个细胞的DNA并制造了一台生物计算机

我们的大脑经常被比作计算机，但事实上，我们身体中的数十亿个细胞可能是一个更好的类比。柔软的袋子似乎与刚性芯片和捆绑电线相差甚远，但是电池是输入输入的专家，通过一系列复杂的逻辑门运行它们并产生所需的编程输出。

在胰腺中摄取β细胞，胰岛制造和储存胰岛素。如果他们发现血糖大幅上升，那么他们会释放胰岛素;否则他们没有。每个细胞都遵循这些命令，允许我们 - 有机体 - 正常运作。

细胞操作的这种类似电路的特性不仅仅是一个方便的比喻。大约50年前，科学家们开始疑惑：如果我们能够劫持这些算法背后的机器并重新编程细胞以做我们想做的事情怎么办?

现在，由波士顿大学的Wilson Wong博士领导的一个科学家团队直接攻击了人类细胞的操作指南 - 其遗传密码 - 并使用合成生物电路对其进行了强化，使其能够服从100多套不同的逻辑操作，有效地将自然界连根拔起唯一的生活程序员。

尽管这些细胞没有立即使用，但开发的工具可能会使其他急于修补进化的生物工程师受益。合成生物学的承诺是伟大的。

“这些重新设计的生物将在未来几年改变我们的生活，导致更便宜的药物，'绿色'意味着为我们的汽车提供燃料，并针对攻击'超级细菌'和癌症等疾病进行针对性治疗，”Drs写道。波士顿大学的Ahmad Khalil和James Collins没有参与这项研究。

黑客生活

这项工作发表在着名的“自然生物技术”杂志上，它建立在数十年前的研究基础上，旨在将我们的细胞变成微小，强大的微型计算机。

“许多合成生物学都是出于这种观念的动机......如果你能够构建它，你只会理解一些东西，”约翰斯·霍普金斯大学的计算生物学家Joel Bader博士说，他没有参与这项研究。

由于它们相对简单的电路，大多数工作都集中在细菌和面包酵母上。几年前，科学家们对酵母的代谢途径进行了修补，并对其进行了改造，以生产出一种用于制造抗糖疟疾药物的分子。其他团队制造的细菌将二氧化碳转化为液体燃料，从而为人工光合作用铺平了道路。科学家甚至设法将两个合成基因回路连接在一起，允许细菌团队进行简单的计算。

但是将这些成功扩展到哺乳动物细胞一直是极具挑战性的。合成生物学的核心是使用分子工具来剪切，融合，阻断或以其他方式操纵生物体的DNA。不幸的是，用于修补细菌或酵母基因组的那些在哺乳动物细胞中是无用的。

更重要的是，针对一个基因是不够的。为了编程新的遗传生物电路，科学家们经常需要调节十几个基因的活动：放大一些基因，同时关闭其他基因。对于按计划运行的事物，系统的每个组件都必须有效且同步地工作。

传统上，科学家试图通过称为转录因子的蛋白质家族来实现这一目标，这些蛋白质与DNA结合并调节其表达 - 即，是否将其重新编码为蛋白质。但所有这些因素的表现略有不同，因此很难同时使用多种因素。

因此，“具有多个输入和多个输出的电路仍然很少，”Wong解释道。

生物布尔

为了解决这些问题，Wong的团队转向了一个强大的分子多工具：DNA重组酶，它与DNA链上的特定序列结合，切割并缝合任何开放的末端(“重组”DNA片段)。

这就像在电影上编辑视频：要删除或添加场景，电影制片人需要精确剪切物理胶片，折腾或插入其他位并将所有内容重新粘贴在一起。

通过这种方式，科学家可以控制蛋白质是否产生：当DNA重组酶变得活跃时，它会切断基因 - 而不是蛋白质;否则，细胞像往常一样制造蛋白质。它是二进制系统的生物等效物，执行最简单的逻辑运算 - 非门(如果发生某些事情，不做某事)。

如果您曾经玩过Arduino，您可能会同意建立电路的最简单方法是将灯泡作为输出。合成生物学虽然复杂，但却是一样的。

该团队使用的“灯泡”实际上是一个基因片段，编码一种在紫外线下发出绿光的蛋白质，称为绿色荧光蛋白，或GFP。通常情况下，细胞会愉快地使蛋白质自身发光。为了构建他们的NOT门，该团队在GFP基因之前添加了另一个基因指令 - 终止序列，这是“停在那里!”的遗传版本。

为了使他们的电路更加复杂，该团队添加了一个if-then命令。以下是它的工作原理：他们制作了一种DNA重组酶，可以剪掉终止序列，但只有当它存在药物时才能。

当细胞不感知药物时，DNA重组酶无活性，终止序列保持原位，细胞保持半透明和无色。如果添加药物，那么重组酶就会跳起来并切断NOT门。输出?蜂窝“灯泡”出现了。

虽然发光的细胞可能看起来微不足道，但科学家们可以在检测到癌症，艾滋病毒或其他疾病的生物标志物时设计细胞。正如Wong解释的那样，您可以将患者的血液样本与工程细胞混合，并立即获得您的读数 - 更便宜，更快速的替代目前需要昂贵机器的诊断。

不满足于简单的电路，该团队继续在人体肾脏和免疫细胞中构建113个回路。令人惊讶的96.5%的人按预期工作而无需进一步优化，这非常令人印象深刻，因为生物工具可能非常挑剔。

“根据我建立遗传线路的个人经验，如果他们有25%的时间工作，你会很幸运，”Wong说。

布莱德在行动

该团队称这个新工具的名称为BLADE，它代表“通过DNA切除进行布尔逻辑和算术”。

但BLADE不仅仅是一个擅长布尔逻辑的新奇工具。它提供了一种设计大规模生物电路的方法，使科学家能够可靠地控制细胞的作用。

Wong已经在为他的新工具寻找项目，他的目光是再生医学。尽管干细胞具有转变为大多数(如果不是全部)细胞类型的能力，但它们实际上变成的是由推动它们走向某种命运的基因组决定的。

通过BLADE，科学家们可以将复杂的if-then系统设计成干细胞，其中一组“如果”条件将细胞推向一个命运(比如神经元)，而另一些则触发它转变为产生胰岛素的β细胞。

BLADE还可以为癌症治疗提供帮助。科学家已经在工程的免疫细胞可以检测癌症生物标志物和特异性靶向癌细胞。将额外的生物电路编程到这些细胞中可以使它们更加复杂和控制：例如，AND门会限制免疫细胞在检测到多种癌症标志物时才开始行动，进一步降低伤亡和副作用。

虽然还有很长的路要走，科学家们仍然充满希望。如果我们继续解决该领域的技术挑战，有一天我们只会受到研究人员的想象以及合成生物学可以解决的社会问题和应用数量的限制，“Khalil和Collins说。

有一件事是清楚的：通过合成生物学，我们不再需要遵循自然规则。