RNA處理器:新生物計算機能並行處理多個複雜信號

　　近日出版的《自然》雜誌刊登了一篇研究論文：美國亞利桑那州立大學教授艾利克斯·格林和哈佛大學維斯生物啟發工程研究所合作，研製出迄今為止最複雜的生物計算機。該計算機由 RNA(核糖核酸)製成，能在大腸桿菌活細胞內對 12 種不同指令同時作出反應，控制細菌細胞的行為。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201708/362558.htm

　　研究團隊在大腸桿菌的活體細胞內誘導形成的 RNA 電路，能像微型機器人和數字計算機一樣執行計算指令。格林表示，他們可以用計算機軟體設計想要的 RNA 序列，並利用這些可以預測和編程的 RNA 相互作用，來構築生物電路，這對智能藥物設計、智能給藥系統、綠色能源生產、低成本診斷技術，以及未來開發出用於追蹤癌細胞或關閉惡性變異基因等的納米機器，具有重要意義。

　　不同鹼基在活細胞內自成 RNA 電路

　　早在 2012 年攻讀博士後期間，格林就參與研發細胞電路的中心組件——RNA 開關。這些 RNA 開關性能完善後，他們開始在活體細胞內開發更複雜的系統。

　　格林團隊在實驗室設計出名叫「邏輯門」的特殊 RNA 電路，然後插入大腸桿菌的活體細胞內。其能像傳統數字電路一樣，用「與」「或」「非」進行邏輯決定，只是傳統數字電路輸入輸出的是電壓信號，生物電路用特定化合物或蛋白質代替電壓信號。當作為輸入信息的 RNA 片段，與電路中 RNA 序列互補時，兩者會結合，RNA 開關被打開，邏輯門得到激活，從而產生想要的輸出信號即蛋白質。

　　與之前研究中需要用到蛋白質等複雜中間體相比，這些只包含 RNA 的細胞內納米電路是生物計算機領域的重大突破。現在研究人員只要在計算機上設計出 RNA 電路的組成成分，將這些 RNA 的鹼基加入活體細胞後，它們會按照預定路線，自組裝成與想要的功能一致的 RNA 電路。

　　堪稱天然的奔騰處理器晶片

　　早在 1994 年，南加州大學科學家倫納德·阿德曼首次提出可以將數據存儲在 DNA 中，並用一條 DNA 解決了超級計算機無法解答的一道複雜數學題。此後，用生命物質 DNA 和 RNA 研發計算機獲得快速推進。今年 7 月，有研究人員將電影片段成功存儲到細菌活體細胞中，且經過多代更迭後，存儲在基因中的電影完好如初。

　　現在，格林團隊開發出的 RNA 電路能在大腸桿菌活體細胞內執行多項計算功能。當兩條 RNA 信息 A 和 B 出現時，「與」邏輯門會在細胞內產生「輸出」命令;當出現 RNA 信息 A 或者 B 時，「或」邏輯門作出反應;如果輸入的是不同於 A 或 B 的另一條 RNA 信息，「非」邏輯門就會挺身而出，切斷輸出信號。將這些不同的邏輯門結合在一起，就能形成更複雜的邏輯門，對多個任務輸入同時作出反應。

　　格林團隊利用 RNA 開關製成的首批 RNA 納米設備，能同時處理 4 個「與」輸入、6 個「或」輸入以及包含「與」「或」「非」在內的 12 個輸入等複雜操作。這些分別執行感應功能和輸出功能的不同電路，能夠集成壓縮到一個細胞內，讓細胞形成蛋白質的過程變得更加簡單。

　　可用於研製神經電路和類腦網絡

　　之前，格林團隊曾研發出一種低成本的 RNA 開關試紙，並證明其可作為精準檢測寨卡病毒的診斷平臺，寨卡病毒的 RNA 能激活 RNA 開關，誘導蛋白質形成，讓試紙的顏色發生改變。這類 RNA 測試平臺可進行擴展，開發出針對許多不同傳染病的低成本精準診斷技術，用於醫療資源和醫護人員急缺的發展中國家，應對傳染病暴發的緊急情況。

　　格林表示，他們下一步將重點研究如何在活細胞內用 RNA 開關製作神經網路電路，像神經元對其他神經細胞的輸入信號進行加權計算一樣，這些神經電路能分析大量興奮和抑制等信號，隨時調整興奮信號和抑制信號的比例。以此為基礎，通過調控分子信號，誘導細胞間相互交流，最終形成能交互作用的類腦網絡。「總之，我們的方法提供了一個通用策略，除了用於微生物，RNA 電路完全可用於其他生物甚至人類身上，可以利用 RNA 電路對人類細胞重新編程，延伸其生物功能。」