新生物计算机能并行处理多个复杂信号

最近出版的《自然》杂志发表了一篇研究论文:亚利桑那州立大学教授亚历克斯·格林和哈佛大学维斯生物仿生工程研究所合作开发了迄今为止最复杂的生物计算机。该计算机由核糖核酸(核糖核酸)组成，可以同时响应大肠杆菌活细胞中的12种不同指令，以控制细菌细胞的行为。

研究小组在大肠杆菌活细胞中诱导的核糖核酸电路可以像微型机器人和数字计算机一样执行计算指令。格林说，他们可以利用计算机软件设计所需的核糖核酸序列，并利用这些可预测和可编程的核糖核酸相互作用来构建生物回路，这对于智能药物设计、智能药物输送系统、绿色能源生产、低成本诊断技术以及未来发展用于跟踪癌细胞或关闭恶性突变基因的纳米机器等都具有重要意义。

不同的碱基在活细胞中形成核糖核酸回路

早在2012年博士后研究期间，格林就参与了——核糖核酸开关的研发，这是细胞回路的核心部件。在这些核糖核酸开关完善之后，他们开始在活细胞中开发更复杂的系统。

格林的团队在实验室设计了一种叫做“逻辑门”的特殊核糖核酸电路，并将其插入大肠杆菌的活细胞中。它可以像传统数字电路一样使用“与”、“或”和“不”来作出逻辑决定，但是传统数字电路的输入和输出是电压信号，生物电路使用特定的化合物或蛋白质来代替电压信号。当作为输入信息的核糖核酸片段与电路中的核糖核酸序列互补时，两者将结合，核糖核酸开关将打开，逻辑门将被激活，从而产生所需的输出信号，即蛋白质。

与以前研究中需要用到的复杂中间体如蛋白质相比，这些仅含核糖核酸的胞内纳米电路是生物计算机领域的重大突破。现在，研究人员只需要在计算机上设计核糖核酸电路的组件。当这些核糖核酸的碱基被添加到活细胞中后，它们将按照预定的途径自组装成具有所需功能的核糖核酸回路。

可以称之为天然奔腾处理器芯片

早在1994年，南加州大学的科学家伦纳德·阿德曼就首次提出，数据可以储存在DNA中，DNA可以用来解决超级计算机无法解决的复杂数学问题。从那以后，利用生物DNA和RNA的计算机的研究和开发得到了迅速发展。今年7月，一些研究人员成功地将电影片段储存到活的细菌细胞中，经过几代人的变化，储存在基因中的电影完好无损。

现在，格林团队开发的核糖核酸电路可以在大肠杆菌的活细胞中执行许多计算功能。当两条核糖核酸信息A和B出现时，“与”逻辑门将在单元中产生“输出”命令。当核糖核酸信息A或B出现时，“或”逻辑门反应；如果输入的是另一条不同于甲或乙的核糖核酸信息，非逻辑门将站起来并切断输出信号。通过组合这些不同的逻辑门，可以形成更复杂的逻辑门来同时响应多个任务输入。

格林团队使用核糖核酸开关制造的第一批核糖核酸纳米器件可以同时处理4个“与”输入、6个“或”输入和12个输入，包括“与”、“或”和“非”。这些不同的电路，分别执行传感功能和输出功能，可以集成和压缩成一个细胞，使细胞形成蛋白质的过程更简单。

可以用来发展神经回路和类大脑网络

此前，格林的团队开发了一种低成本的核糖核酸转换试纸，并证明它可以作为一个诊断平台，用于准确检测寨卡病毒。寨卡病毒的核糖核酸可以激活核糖核酸开关，诱导蛋白质形成，并改变试纸的颜色。这种类型的核糖核酸检测平台可以扩展，为许多不同的传染病开发低成本的精确诊断技术，可用于医疗资源和医务人员严重短缺的发展中国家，以应对传染病爆发的紧急情况。

格林说，他们的下一步将集中于如何使用核糖核酸开关在活细胞中制造神经网络回路。像对来自其他神经细胞的输入信号进行加权的神经元一样，这些神经回路可以分析大量的兴奋和抑制信号，并随时调整兴奋和抑制信号的比率。在此基础上，通过调节分子信号诱导细胞间的相互作用，最终形成一个能够相互作用的脑样网络。“总之，我们的方法提供了一个总体策略。除了微生物，核糖核酸回路可以完全应用于其他生物，甚至人类。核糖核酸电路可以用来对人类细胞重新编程，并扩展它们的生物学功能。”(北京，7月31日，《科技日报》)

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