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在活菌体内构建生物计算机和存储器
2017-11-06 16:24
原创  Ieee Spectrum

在活菌体内B.jpg

科学家目前已经想出了两种巧妙的新方案来利用活菌细胞体内DNA的编程能力。在7月份的《自然》杂志上发表的实验报告中,研究者称他们已经在大肠杆菌活细胞体内成功设置了一个复杂的生物计算机并存储了一部电影。

这些实验拓展了人们对DNA编码潜力的探索能力。“这些论文表明了我们已经可以娴熟地利用这种力量。”伊利诺伊州埃文斯顿的西北大学合成生物中心的生物工程师朱利叶斯•卢克斯(Julius Lucks)这样说道。她并未参与其中任何一份报告。

这两项实验的研究人员都是通过电气工程法则来达到目的的。在DNA存储实验中,来自哈佛大学的一支团队首次展示了如何将电影和图像编码至活细胞内部。“之前有过将数字信息存储至DNA的案例——存储了200兆字节——但是目前并没有将数据存储至有机活体内部的先例。”在哈佛大学领导这些实验的神经系统科学家塞斯•希普曼(Seth Shipman)说道。

要把一部电影存储到大肠杆菌细胞的DNA中,希普曼和他的同事必须先将其进行伪装。他们将电影的像素转化成了由代表DNA分子的字母A、T、G、C组成的4字母代码,然后合成DNA。但是他们并没有将其变成一长串代码,而是将其与其他遗传因素合成了看起来像病毒DNA片段的短节段。

大肠杆菌的DNA会自行编码,将游走的病毒DNA片段储存到自己的基因组中——作为对入侵者的记录。所以当研究人员将电影转化的合成DNA通过伪装成病毒DNA的方式放入大肠杆菌细胞中时,大肠杆菌的分子机器便将其存储了起来。

他们所存储的电影为36×26像素的GIF格式,是最早一批录制的动态图像:一匹奔跑着的名叫安妮•G的母马,由埃德沃德•迈布里奇(Eadweard Muybridge)于1887年摄制。研究团队可以通过对细菌的基因组进行测序来对存储的短片及一张单独的图像进行恢复,准确率为90%。

在希普曼宣布在存储方面取得突破的同一个月,另外一个研究小组公布了另外一种巧妙编程的合成DNA片段。这种DNA片段在被移入大肠杆菌细胞体内后会直接指挥细胞产生一种由核糖核酸构成的生物计算机。

在活菌体内c.jpg

这种“核糖核酸计算机”可以对十几个输入指令进行评估,并通过“与”“或”“非”等操作来做出有逻辑性的决定,并对细胞下达指令。“这个系统是迄今为止最复杂的生物计算机,也是为数不多的可以在活细胞体内运行的计算机之一。”亚历山大•格林(Alexander Green)这样说。格林是亚利桑那州立大学生物设计研究院(位于坦佩)的一位工程师,他和哈佛大学维斯生物工程研究所的几位同事一起研究这项技术。

这种生物回路使得研究者可以对细胞进行编程,从而在收到一种特定输入的时候做出相应的反应。比如说,通过编程,细胞在发现毒素或者癌症信号时可以进行抵制或者自毁。

研究者称这些DNA存储以及生物计算机的研究进展会让人联想起早期的电子工业。“这就像电路设计的黄金时代。”蒂莫西•卢(Timothy Lu)这样评价。卢是麻省理工学院电子研究实验室的生物工程师,他并未参与这项工作。“对于参与这一领域的创新型电路工程师来说,这是一个伟大的时代。”他说。

为了建造更加复杂的生物计算机或者在DNA中存储更加复杂的数据,生物工程师们需要借鉴电子工程领域的概念。“电气工程师在建立设计层级或者抽象层方面所沿用的思维方式对于生物研究来说将非常重要。”卢这样说道。

参与者不需要有生命科学背景,卢克斯补充说:“我们可以创设一个抽象层,通过它,你不需要了解RNA折叠就可以将RNA设计成一个回路。”

在某些时候——也许是在更远的未来——对于利用某些生物来完成它们正常活动之外的某些功能这件事,公众会开始权衡。“我们可以利用细菌来处理信息和储存电影,这么做行吗?”卢克斯说,“我认为人们不会觉得在大肠杆菌细胞体内进行这些操作不道德。但是如果你开始尝试更高等级的生物体,那么从道德角度来看就开始具有争议性了。”

作者:Emily Waltz


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