生物工程师正致力于开发生物计算机，旨在设计由生物材料制成的小型电路，并将其整合进细胞以改变细胞功能。未来，这类进展或可使癌细胞重新编程，从而阻止其以无法控制的速度分裂。干细胞也可以重新编程为分化后的器官细胞。
研究人员目前尚未取得如此进展。尽管过去20年来，他们一直在开发生物计算机的独立组件和原型，但如今的生物计算机仍与硅基计算机有显著差异，生物工程师也仍面临若干重大障碍。
例如，硅芯片以0和1进行计算——电流要么流动，要么不流动——并能在转瞬之间切换这两种状态。相比之下，生物信号的界限不那么清晰：除了“有信号”和“无信号”，还存在大量介于两者之间的状态，即“有一点信号”。对于那些充当特定生物分子传感器并传递相关信号的生物计算机组件而言，这是一个特别不利之处。有时，即使没有输入信号，这些组件也会发出输出信号；当多个此类组件在电路中依次连接时，问题会更加严重。
不会“漏信号”的生物传感器
苏黎世联邦理工学院巴塞尔生物系统科学与工程系合成生物学教授Yaakov Benenson领导的研究组中，博士生Nicolas Lapique开发了一种生物电路，通过内部“计时器”控制各个传感器组件的活性。该电路可防止传感器在系统不需要时处于活跃状态；需要时，则可通过控制信号将其激活。研究人员近期在科学期刊《Nature Chemical Biology》上发表了这项研究。
要理解这项技术的原理，首先需要知道，这些生物传感器由合成基因构成，酶会读取这些基因，并将其转化为RNA和蛋白质。在Lapique开发的可控生物传感器中，负责发出输出信号的基因在初始状态下并不活跃，因为它在电路DNA中的安装方向有误。一种特殊酶——重组酶——会从电路DNA中取出该基因，并以正确方向重新装入，从而使其活跃。Benenson表示：“得益于对电路中时序的精确控制，输入信号现在能够比以往传递得准确得多。”
迄今为止，研究人员已在人类肾细胞和癌细胞的细胞培养物中测试了这种可随时激活的传感器的功能。尽管如此，他们已经着眼于进一步改进该传感器，使其能够用于更复杂的生物计算机，以检测并杀死癌细胞。这些生物计算机将被设计用于识别典型的癌症分子。例如，如果在细胞中发现癌症标志物，电路便可启动细胞自杀程序。没有癌症标志物的健康细胞则不会受到这一过程的影响。
开发出新型信号转换器
不过，将各种生物组件组合成更复杂的生物计算机，对生物工程师而言仍是一项挑战。Benenson解释说：“在电子学中，构成电路的不同组件总是以同一种方式连接：用一根导线连接，电流要么流过，要么不流过。”而在生物学中，信号种类繁多，包括各种不同的蛋白质或微RNA分子。要按任意所需顺序组合生物组件，就必须在它们之间连接信号转换器。
同样是Benenson指导的博士生Laura Prochazka开发了一种通用型信号转换器。她近期在《Nature Communications》杂志上发表了这项研究。这种新组件的特别之处在于，它不仅能将一种信号转换成另一种信号，还能以简单的方式将多个输入信号转换为多个输出信号。
这一新型生物平台将大幅拓展生物电路的应用范围。Benenson表示：“能够以模块化、即插即用的方式自由组合生物组件，意味着我们正逐渐达到一个阶段，可以将软件工程中熟知的编程概念应用于生物计算机。未来，生物工程师将能够真正进行编程。”
经授权转载自 苏黎世联邦理工学院新闻
作者：Fabio Bergamin是苏黎世联邦理工学院编辑。
图片：美国国家人类基因组研究所发布的一幅未注明日期的艺术家插图，画面中可见DNA双螺旋结构。路透社/美国国家人类基因组研究所/资料图片
