波士頓大學研究團隊用人體細胞製造出了一台「生物計算機」

我們經常用大腦來和電腦做比較，但實際上，我們身體里的數十億個細胞可能才是更好的類比。濕乎乎像口袋一樣的細胞看起來似乎與電子晶元和數據線相去甚遠，但是細胞在接受輸入和運行一系列複雜的邏輯門運算併產生所需的編程輸出方面是專家。

比如胰腺中的β細胞，它的作用是分泌和存儲胰島素，只有他們檢測到血液中的血糖含量激增時才會釋放胰島素，否則不會。每個細胞都像這樣遵守命令才能使我們的機體正常運行。這種類似電路的細胞操作不僅僅是本質上的一個比喻。大約五十年前，科學家們開始疑惑：如果我們能夠使這些編寫細胞「演算法」的機器為我們所用，根據我們的想法重新編程會發生什麼？

目前，由波士頓大學 Wilson Wong 博士領導的科學團隊直接破解了細胞的操作指南（它的遺傳密碼）並用合成生物電路對其進行改造，使它能夠執行超過一百種的邏輯操作，這樣一來自然將不再是人類生命唯一的「程序員」。

「這些重新設計的細胞將會在未來幾年改變我們的生活，生產出更便宜的藥物。比如，我們能創造一種「運輸細胞」攜帶藥物通過靶向治療攻擊『超級病毒』或諸如癌症一類的其他疾病。」波士頓大學教授 Ahmad Khalil 和 James Collins 說。

由於這些生物電路相對簡單，科學家把大多數工作都集中在細菌和麵包酵母上。幾年以前，科學家們改變了酵母的代謝途徑，這個設計的目的是使其成為一個能從糖分中製造抗瘧藥物的分子。其他團隊將二氧化碳轉化為液體燃料，本質上為人工光合作用鋪平了道路。科學家們甚至設法把兩個合成基因電路聯繫在一起，允許細菌簇進行簡單的計算。

但是把這些研究成果擴展到哺乳動物細胞是一項巨大的挑戰。合成生物學的核心是使用分子工具來用剪切，融合，阻斷等方式操縱生物體的 DNA。可是用於修飾細菌或酵母基因組的那些工具在哺乳動物細胞中是無用的。更重要的是，針對一個基因是不夠的，為了編製新的遺傳生物電路，科學家們通常需要調節十幾種基因的活性： 對於一些要按計劃進行的事情，系統的每個組成部分都必須同步高效的工作。因此，Wilson Wong 解釋說：「具有多輸入和多輸出的電路依然稀缺。」

生物網路的布爾模型

為了解決這些問題，Wilson Wong 的團隊使用了一種強大的分子多功能工具：DNA 重組酶，這是一種把特定序列綁定到 DNA 鏈上的工具酶，可以在任何切口做切割和縫合操作（重組 DNA 片段）。就像編輯電影視頻，刪除或添加場景時，剪輯師需要精確的剪切電影膠片，扔掉或者插入額外的片段，最後將所有內容連接在一起。

這樣科學家就能夠控制是否產生蛋白質，當 DNA 重組酶活躍時，它會剔除一個基因而使細胞不產生蛋白質。這相當於一個二進位系統，在執行一個最簡單的非門邏輯運算（如果有事發生，不做某事）。如果你用過 Arduino，你也許會同意檢驗一個電路最簡單的方式就是用燈泡作為輸出。合成生物學，也是一樣。

該團隊使用的「燈泡」實際上是一段編碼某種蛋白質的基因片段，這種蛋白質能夠在紫外線下呈現綠色，被稱為綠色熒光蛋白質或 GFP。正常情況下，細胞能自己產生會發光的蛋白質。為了建立它的非門，團隊在 GFP 基因前添加了另外一段基因，一個讓編碼過程「到此為止！」的終止序列。

為了使電路更加複雜，該團隊添加了一個 if-then 命令。它的工作原理是，製造一種可以剪斷終止序列的 DNA 重組酶，只有某種藥物存在時重組酶才會被激活。當細胞沒有檢測到藥物時，DNA 重組酶是無活性的，終止序列保持在原位，細胞保持半透明無色狀態。加入藥物後，重組酶開始工作，並切斷非門。輸出結果就是細胞的「燈泡」亮起來。

雖然發光的細胞看起來微不足道，但當科學家要檢測癌症，艾滋病或其他疾病的生物標誌物時，可以設計發光的細胞來顯示。Wilson Wong 說：你可以將患者的血樣和工程細胞混合在一起，這樣可以立即獲知結果，這種方法比目前用昂貴機器檢測的方法更加便宜和快捷。

該團隊並不滿足於構造簡單的生物電路，他們繼續在人類的腎臟和免疫細胞中嘗試，目前已經建立了 113 個不同的電路。令人吃驚的是成功率高達 96.5%，已經不需要再進一步優化了。這已經算是相當完美的成果了，因為生物工具的成功率通常很低。Wilson Wong 說：「在我個人建立遺傳電路的經驗中，如果你的成功率達到 25%，你就已經非常幸運了。」

「BLADE」起作用

該團隊將可以替代「用布爾邏輯和算術實現 DNA 切割」的新工具命名為「BLADE」。但是，「BLADE」不是一個只擅長布爾邏輯的工具，它擅長的是一種大規模的生物電路設計方法，所以科學家們可以憑藉它可靠地控制細胞的行為。

Wilson Wong 已經在工作中為他的新工具找到了項目，他把目光投向再生醫學領域。儘管幹細胞具有轉化成大部分細胞類型的能力，但實際上，它們他們的命運是由一組基因決定的。使用「BLADE」，科學家可以將複雜的 if-then 系統設計加入幹細胞，其中一組「if」條件對應細胞的一個命運（例如，神經元），而其他的則轉化為產生胰島素的β細胞。

「BLADE」也可以促進癌症治療。科學家已經設計出可以專門檢測癌症生物標誌物的免疫細胞。將更多的生物電路編製到這些細胞中，可以使它們更加複雜和可控：例如，「與門」將限制免疫細胞只能在檢測到多種癌症標誌物時起作用，從而進一步降低對人身的傷害和副作用。

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