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Science:新型生物计算机,分子编程活细胞执行命令

来源:网易探索 2008-10-17 11:26

专题:Science报道

日前,科学家宣称成功研制新型生物计算机,分子在酵母细胞中“运行”最新研制的新型生物计算机可让科学家对分子进行“编程”,并由活细胞执行“命令”。

美国加州理工学院(California Institute of Technology)的克里斯蒂娜·斯默尔克(Christina Smolke)是该研究的合著作者之一,他指出,像这样的生物计算机有朝一日可使人类直接控制生物学计算系统。该研究将发表在10月17日出版的《科学》杂志上。

生物计算机最终将具有智能,从细胞中生成生物燃料,比如:可以实现在某种特殊状况下有效控制“智能药物”。斯默尔克说,“如果探测到某种疾病,一种智能药物能够从一个细胞环境中采样,并形成自防御序列结构。”

这种新型生物计算机包括着装配在酵母细胞中的工程RNA片断,RNA是类似于DNA的一种生物分子,它可以编码遗传基因信息,比如:如何制造多样化的蛋白质。从计算工程角度来讲,生物计算机的“输入”是分子漂浮在细胞内;“输出”是蛋白质产物的变化。举个例子,RNA计算机很可能捆绑着两种不同的分子,如果两种不同分子附着在一起,将导致出现生物计算机的外形变化。改变形状后的生物计算机对DNA进行捆绑时,将直接影响基因表达,并减缓蛋白质制造。

这些蛋白质将以不同方式影响细胞,比如:如果这些细胞是癌细胞,蛋白质将会把癌细胞杀死。研究小组设计RNA计算机的不同部分可进行模件组成,因此这些组件可混合匹配组装。

斯默尔克说,“依据我们不同的组合方式,将实现不同的效应。”自然界倾向于形成复杂的分子结构,而这些复杂的分子却能够实现非凡的独立性功能。建立一些可互换性组件执行多样化计算功能存在着困难,但是这种生物计算机却具有较高的效率,在日后的研究中将逐渐成熟。

许多科学家认为生物计算机不太可能超越或者匹配现今的电子计算机。美国普林斯顿大学电子工程师兼分子生物学家罗恩·韦斯(Ron Weiss)说,“它们并不能像我们日常的计算快速机运行微软Windows系统,或者运行Wii游戏。”与众不同的是,生物计算机能够潜在地修补或直接影响细胞进程。

韦斯称,它基本上采用一种“细胞语言”,这项最新研究将拓展生物计算机的应用领域。之前的RNA计算机并不是很复杂。

以色列魏兹曼学院(Weizmann Institute of Science)的计算机科学家兼生物计算机学家埃胡德·沙皮罗(Ehud Shapiro)并未参与斯默尔克的研究,在此之前,他带领的研究小组成功地使用DNA建立了一个生物计算机,可工作在试管之中,并执行一些简单的数学运算。

但是沙皮罗的生物计算机不同于目前最新的RNA计算机,他的试管分子计算机很容易受到外界环境的影响和干扰。沙皮罗说,“斯默尔克的最新研究显示新型生物计算机可实现分子在细胞内的运行。”他期望未来RNA计算机能够代替由蛋白质制造的复杂装置,蛋白质是目前我们所知的自然界最有效的装置,我们知道如何让RNA分子执行简单的任务,却不知道它们是如何驱动蛋白质的。这将是今后重要研究的一个目标。(生物谷Bioon.com)

生物谷推荐原始出处:

Science 17 October 2008:Vol. 322. no. 5900, pp. 456 - 460 DOI: 10.1126/science.1160311

Higher-Order Cellular Information Processing with Synthetic RNA Devices

Maung Nyan Win and Christina D. Smolke*

The engineering of biological systems is anticipated to provide effective solutions to challenges that include energy and food production, environmental quality, and health and medicine. Our ability to transmit information to and from living systems, and to process and act on information inside cells, is critical to advancing the scale and complexity at which we can engineer, manipulate, and probe biological systems. We developed a general approach for assembling RNA devices that can execute higher-order cellular information processing operations from standard components. The engineered devices can function as logic gates (AND, NOR, NAND, or OR gates) and signal filters, and exhibit cooperativity. RNA devices process and transmit molecular inputs to targeted protein outputs, linking computation to gene expression and thus the potential to control cellular function.

Division of Chemistry and Chemical Engineering, California Institute of Technology, 1200 East California Boulevard, MC 210-41, Pasadena, CA 91125, USA.

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