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Science:生物“计算机”能识别并摧毁癌细胞

来源:生物通 2011-09-09 11:05

近日来自哈佛大学、麻省理工学院以及瑞士苏黎世联邦高等工业学院的研究人员在新研究中成功地将生物“计算机”诊断网络导入到人类细胞中,这种生物网络通过对5种肿瘤特异性分子进行逻辑组合分析识别出了特异的癌细胞,并触发了这些癌细胞的毁灭过程。

这一研究成果在线发表在9月2日的《科学》(Science)杂志上。文章的通讯作者是哈佛大学系统生物学中心的生物工程学家Yaakov Benenson及麻省理工大学的Ron Weiss教授。Benenson长期致力于开发在活体细胞内运作的生物计算机。生物计算机是一种完全由DNA、RNA及蛋白质构成的分子自动机(molecular automata),它们的“输入”是细胞质中的RNA、蛋白质以及其他化学物质,“输出”的则是很容易辨别的分子信号。由于生物计算机能够探测和监控基因突变等细胞内一切活动的特征信息,因此它们可以确定癌细胞等病变细胞。此外,它们还能够自动激发微小剂量的治疗行为。利用这些“分子医生”将有望引发人类医学的重大变革——明确地对人体病变细胞或组织进行治疗,而健康的细胞完全不会受到干扰。不过,要最终实现这一目标,还有很长的路要走。科学家近期进行的一些相关研究,大都是尝试以不同方式开发具有多种用途的生物计算机。

在这篇文章中,研究人员成功构建了一个多基因合成“电路”,此电路负责鉴别肿瘤细胞与正常细胞,进而靶向性摧毁识别的肿瘤细胞。其具体工作原理是:对细胞内5种肿瘤特异性分子及出现频率进行抽样及综合分析。是由当5种因子同时在细胞内出现时,该电路才做出正识别响应。这使得肿瘤检测的精确性大大增高。研究人员希望这一成果能为开发出特异的抗癌治疗奠定基础。随后科学家们用这一多基因合成网络对实验室中培养的两种人类细胞Hela细胞(一种子宫颈癌细胞)和正常细胞进行了检测。当遗传生物计算机被导入到这两种不同的细胞类型中时,只有Hela细胞被摧毁,而正常细胞则安然无恙。获得这一结果并非易事,研究人员为之投入了大量的基础工作。

Benenson及同时首先针对正常健康细胞和Hela细胞中的miRNA分子进行了高通量筛查,最终确定了能将Hela细胞从健康细胞中鉴别出的5种特定的miRNA组合。“这些miRNA分子被导入到细胞中进行检测。新型的生物计算机利用诸如‘是’与‘非’的逻辑运算对这五种miRNA分子进行组合。只有当对所有分子的整体运算结果为逻辑‘真’时才会生成需要的结果——即促使细胞死亡,”Benenson说。目前研究人员已确定这一生物计算机网络在活细胞中能够非常稳定地工作,准确组合所有细胞内因子并生成正确答案,这代表着研究者们在该领域又向前迈进了重要的一步。(生物谷 Bioon.com)

 

Multi-Input RNAi-Based Logic Circuit for Identification of Specific Cancer Cells

Zhen Xie, Liliana Wroblewska, Laura Prochazka, Ron Weiss, Yaakov Benenson

Engineered biological systems that integrate multi-input sensing, sophisticated information processing, and precisely regulated actuation in living cells could be useful in a variety of applications. For example, anticancer therapies could be engineered to detect and respond to complex cellular conditions in individual cells with high specificity. Here, we show a scalable transcriptional/posttranscriptional synthetic regulatory circuit—a cell-type “classifier”—that senses expression levels of a customizable set of endogenous microRNAs and triggers a cellular response only if the expression levels match a predetermined profile of interest. We demonstrate that a HeLa cancer cell classifier selectively identifies HeLa cells and triggers apoptosis without affecting non-HeLa cell types. This approach also provides a general platform for programmed responses to other complex cell states.

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