不僅是0和1，RNA生物計算機具備高達12個輸入邏輯操作

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文章相關引用及參考：singularityhub

或許在未來的某一天里，合成生物學可以把我們自己的細胞轉化為完全可編程的實體，將所有人類變成生物機器人

（映維網 2017年08月14日）在生物分子領域，RNA（核糖核酸）得到的關注並沒有太多。或許你還沒有聽說過這個術語。RNA是細胞的翻譯員：就像電話傳話遊戲一樣，RNA會把DNA的基因密碼帶到名為核糖體的細胞工廠中。在這裡，細胞將會根據RNA的信息製作蛋白質。

但RNA不僅只是一位中間人，它控制著形成的蛋白質種類。因為圍繞細胞的蛋白質巫師完成了所有的重要環節，你可以認為RNA是一位守門員：沒有RNA信息，就沒有蛋白質，也就沒有生命。

日前發表在《自然》雜誌上的最新研究表明，RNA終於登上了中心舞台。通過在大腸桿菌中增加基因物質，哈佛大學維斯生物工程研究所的一組研究人員劫持了生物體的RNA信息員，這樣它們只會根據特定的輸入採取行動。

結果怎樣？科學家研發出一台細菌生物計算機，能根據特定的輸入來同時處理包含「與」「或」「非」在內的12個輸入邏輯操作。這種生物迴路是基於蛋白質和其他分子存在或不存在產生結果，而不是輸出0和1。

美國亞利桑那州立大學亞歷山大·格林（Alexander Green）博士說道：「這是細胞能夠處理的最多輸入。能夠分析這些信號並作出決定是一個重大的進展。」

但合成生物學不僅僅只是一個派對把戲，科學家們未來有可能使它們進行光合作用，快速生產昂貴的藥物，或者診斷和治療流氓腫瘤細胞。

上圖是以RNA為基礎的「核糖計算」設備，其能夠在活細胞中進行基於邏輯的決策。長長的邏輯門RNA（藍色）檢測輸入RNA（紅色）的結合。核糖體（紫色/淡紫色）讀取邏輯門RNA以產生輸出蛋白質。

一. 生命的軟體

科學家劫持生命的演算法，並把細胞重新編程成納米計算系統的做法並不是第一次。以往的研究已向全世界表明，酵母細胞可以從能執行布爾邏輯的糖或哺乳動物細胞產生抗瘧疾藥物。

但具有多個輸入和輸出的迴路仍然難以編程，原因是：合成生物學家通常專註於通過切割，融合或以其他方式組合細胞DNA，從而產生他們想要的結果。

但DNA離蛋白質需要兩個步驟，而修補生命代碼通常會產生意想不到的結果。一方面，細胞甚至可能不接受併產生額外的DNA密碼。另一方面，在轉化為蛋白質時，添加的代碼可能不會在細胞擁擠和不斷變化的環境中相應地起作用。

更重要的是，修改一個基因通常不足以編寫一個全新的迴路。科學家通常需要放大或關閉多個基因，或是由數十或數百個基因組成的多個生物「模塊」的活動。相信你已經想到，讓每一個活動組件保持一致是一件非常令人頭疼的事情。

二. RNA

對於「核糖計算」，格林和他的同事致力於解決合成生物學的一個主要問題：可預測性。

格林最初在2012年想到了利用「核糖」的方法。格林寫道：「今天的合成生物迴路嚴重依賴於基於蛋白質的調節劑，而那難以進行擴展。」他解釋說，我們只有少量合適的「可設計部分」，而這種迴路需要大量的資源進行編碼和運作。

相比之下，RNA更可預測。像DNA一樣，RNA主要由四種不同單元組成：A(腺嘌呤)、G(鳥嘌呤)、C(胞嘧啶)和U(尿嘧啶)。雖然RNA只是單鏈，而不是DNA的雙螺旋，但能夠以非常可預測的方式結合DNA般的短小序列：G始終與C保持一致，而A則與U保持一致。

因為這種可預測性，科學家可以設計出完美結合在一起的RNA成分。換句話說，它減少了添加的RNA不按指示行事的可能。

通常來說，一旦生成RNA，其會馬上趕往細胞的蛋白質工廠：核糖體。然而，格林和他的團隊發現了一個聰明的機制可以減緩它們，名為「立腳點開關」。其原理如下：人造RNA成分首先被併入A，G，C和U鏈，摺疊成一個回形針狀結構。

這可以阻止RNA進入核糖體。因為一條RNA鏈通常映射到一個蛋白質，所以這個開關可以防止蛋白質被製造出來。

就這樣，開關在默認情況下設置為「關閉」，亦即布爾邏輯中的「非」。要激活開關，細胞需要另一個成分：結合立腳點開關的「觸發RNA」。這樣開關就會被打開：RNA進入核糖體，然後蛋白質誕生。

三. 邏輯門

在把數個RNA開關串聯起來時，而且每個依賴於之前的活動，「與」邏輯門就會形成。如果每個開關的活動彼此獨立，那就會形成「或」邏輯門。

格林說：「基本上，立腳點開關執行的效果是如此之好，以至於我們希望找到一種方法來把它們應用在蜂窩應用中。它們就相當於你的第一個晶體管。」

在團隊優化了不同邏輯門的設計後，他們精心地把開關凝結成「邏輯門RNA」分子。這種邏輯門RNA包含蛋白質的代碼和啟動過程所需的邏輯操作，可以說是一種分子邏輯迴路。

如果你知道基於Arduino的電子迴路，你可能知道測試其功能的最簡單方法是通過燈泡。格林的團隊也想到了這一點，但他們使用的是生物燈泡：綠色熒光蛋白，一種通常不存在於細菌中的光敏蛋白。在打開後，其就會發出霓虹綠色。

在一系列的實驗中，格林和他的團隊將邏輯門RNA插入至細菌中。然後，根據邏輯功能的類型，它們添加了不同組合的觸發RNA，亦即輸入。當觸發RNA匹配相應的邏輯門RNA時，開關就會被打開，這樣細胞就會發光。

他們最為複雜的迴路包含5個「與」邏輯門，5個「或」邏輯門和2個「非」邏輯門，一個能處理12個輸入的核糖計算機，而效果跟設想完全一致。

這是一個相當大的成就。美國西北大學的RNA研究員茱莉·萊科斯（Julies Lucks）博士說：「一切都與其他一切交互，而這些交互有一百萬種方式可以意外地打開開關。」

作者解釋說，這種明確性得益於RNA。因為RNA的結合是如此有預測性，所以現在我們可以設計大量的邏輯門和觸發單元來混合和匹配所有類型的納米生物計算機。

四. RNA生物納米機器人

雖然沒有任何即時的應用，但團隊對該技術寄予了極高的希望。格林表示，這是我們第一次可以大規模把新迴路編程的過程擴展至活細胞中，我們擴大了用於重新編程生命基本代碼的可用生物成分庫。

此外，當RNA凍結在一張紙上時可以很好地保存起來。作者說，他們可能會把RNA列印到可響應病毒或腫瘤細胞的紙張上，這基本上可以把技術轉化為高度準確的診斷平台。

但格林對基於RNA的迴路還有更大的寄望。他說：「由於我們正在使用RNA這種通用的生命分子，我們知道這些相互作用也可以作用於其他細胞，所以我們的方法提供了可以移植到其他生物體的普遍策略。」

最終，他們希望把類似神經網路的能力編程到身體的其他細胞中。作者說，我們可以想像一下，未來的細胞將能包含執行大腦計算類型的迴路。

或許在未來的某一天里，合成生物學可以把我們自己的細胞轉化為完全可編程的實體，將所有人類變成生物機器人。這該有多瘋狂呢？

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