[科普中国]-让RNA处理器在活细胞中“奔腾”

RNA分子内的环状和其他形状的结构可以充当逻辑门，对输入信号作出反应，合成蛋白质（即输出信号）。图片来自网络

近日出版的《自然》杂志刊登了一篇研究论文：美国亚利桑那州立大学教授艾利克斯·格林和哈佛大学维斯生物启发工程研究所合作，研制出迄今为止最复杂的生物计算机。该计算机由RNA（核糖核酸）制成，能在大肠杆菌活细胞内对12种不同指令同时作出反应，控制细菌细胞的行为。

研究团队在大肠杆菌的活体细胞内诱导形成的RNA电路，能像微型机器人和数字计算机一样执行计算指令。格林表示，他们可以用计算机软件设计想要的RNA序列，并利用这些可以预测和编程的RNA相互作用，来构筑生物电路，这对智能药物设计、智能给药系统、绿色能源生产、低成本诊断技术，以及未来开发出用于追踪癌细胞或关闭恶性变异基因等的纳米机器，具有重要意义。

不同碱基在活细胞内自成RNA电路

早在2012年攻读博士后期间，格林就参与研发细胞电路的中心组件——RNA开关。这些RNA开关性能完善后，他们开始在活体细胞内开发更复杂的系统。

格林团队在实验室设计出名叫“逻辑门”的特殊RNA电路，然后插入大肠杆菌的活体细胞内。其能像传统数字电路一样，用“与”“或”“非”进行逻辑决定，只是传统数字电路输入输出的是电压信号，生物电路用特定化合物或蛋白质代替电压信号。当作为输入信息的RNA片段，与电路中RNA序列互补时，两者会结合，RNA开关被打开，逻辑门得到激活，从而产生想要的输出信号即蛋白质。

与之前研究中需要用到蛋白质等复杂中间体相比，这些只包含RNA的细胞内纳米电路是生物计算机领域的重大突破。现在研究人员只要在计算机上设计出RNA电路的组成成分，将这些RNA的碱基加入活体细胞后，它们会按照预定路线，自组装成与想要的功能一致的RNA电路。

堪称天然的奔腾处理器芯片

早在1994年，南加州大学科学家伦纳德·阿德曼首次提出可以将数据存储在DNA中，并用一条DNA解决了超级计算机无法解答的一道复杂数学题。此后，用生命物质DNA和RNA研发计算机获得快速推进。今年7月，有研究人员将电影片段成功存储到细菌活体细胞中，且经过多代更迭后，存储在基因中的电影完好如初。

现在，格林团队开发出的RNA电路能在大肠杆菌活体细胞内执行多项计算功能。当两条RNA信息A和B出现时，“与”逻辑门会在细胞内产生“输出”命令；当出现RNA信息A或者B时，“或”逻辑门作出反应；如果输入的是不同于A或B的另一条RNA信息，“非”逻辑门就会挺身而出，切断输出信号。将这些不同的逻辑门结合在一起，就能形成更复杂的逻辑门，对多个任务输入同时作出反应。

格林团队利用RNA开关制成的首批RNA纳米设备，能同时处理4个“与”输入、6个“或”输入以及包含“与”“或”“非”在内的12个输入等复杂操作。这些分别执行感应功能和输出功能的不同电路，能够集成压缩到一个细胞内，让细胞形成蛋白质的过程变得更加简单。

可用于研制神经电路和类脑网络

之前，格林团队曾研发出一种低成本的RNA开关试纸，并证明其可作为精准检测寨卡病毒的诊断平台，寨卡病毒的RNA能激活RNA开关，诱导蛋白质形成，让试纸的颜色发生改变。这类RNA测试平台可进行扩展，开发出针对许多不同传染病的低成本精准诊断技术，用于医疗资源和医护人员急缺的发展中国家，应对传染病暴发的紧急情况。

格林表示，他们下一步将重点研究如何在活细胞内用RNA开关制作神经网路电路，像神经元对其他神经细胞的输入信号进行加权计算一样，这些神经电路能分析大量兴奋和抑制等信号，随时调整兴奋信号和抑制信号的比例。以此为基础，通过调控分子信号，诱导细胞间相互交流，最终形成能交互作用的类脑网络。“总之，我们的方法提供了一个通用策略，除了用于微生物，RNA电路完全可用于其他生物甚至人类身上，可以利用RNA电路对人类细胞重新编程，延伸其生物功能。”

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