用RNA替代DNA，将功能强大的生物计算机从试管带到细胞中

美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员可能已经开发出了寿命较长的生物计算机，这种计算机有可能存在于细胞内。在发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中，作者放弃了传统的基于dna的方法，而是选择使用核酸RNA来构建计算机。结果表明，RNA电路与dna电路一样可靠，用途广泛。更重要的是，活细胞可能能够不断地创造这些RNA回路，而这在DNA回路中是不容易实现的。

　　

   

   

图片:NIST研究人员的目标是通过设计并将DNA插入细胞基因组，将细胞变成一个生物计算机工厂。细胞蛋白质会在DNA的基础上通过转录产生RNA。由于一种叫做核酶的特殊的RNA自裂解序列，RNA链会折叠，与自身结合，并一分为二。由此产生的结构，一个RNA电路门，只有在特定条件下才会被破坏，并引发进一步的化学反应。

一旦这项技术完全成熟，由DNA组成的微型生物计算机将彻底改变我们诊断和治疗一系列疾病的方式。然而，这些基于DNA的设备(既可以在细胞中也可以在液体中工作)的一个主要障碍是它们的寿命太短。只使用一次，电脑就被消耗了。

现在，美国国家标准与技术研究所(NIST)的研究人员可能已经开发出了寿命较长的生物计算机，这种计算机有可能存在于细胞内。在发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中，作者放弃了传统的基于DNA的方法，而是选择使用核酸RNA来构建计算机。结果表明，RNA电路与DNA电路一样可靠，用途广泛。更重要的是，活细胞可能能够持续地创造这些RNA回路，而这在DNA回路中是不容易实现的，这进一步使RNA成为强大、持久的生物计算机的有希望的候选。

就像你正在阅读这篇文章的电脑或智能设备一样，生物计算机可以被编程来执行不同种类的任务。

“不同的是，你不是用1和0编码，而是写由A、T、C和G组成的字符串，这是组成DNA的四种化学基，”美国国家标准和技术研究院博士后研究员、该研究的第一作者塞缪尔·沙夫特说。

通过将特定的碱基序列组装成核酸链，研究人员可以决定它与什么结合。一条链可以被设计成附着在特定的DNA、RNA或一些与疾病相关的蛋白质上，然后与同一回路中的其他链触发化学反应，处理化学信息，最终产生某种有用的输出。

这种输出可能是一种可检测的信号，可以帮助医学诊断，也可能是一种治疗疾病的治疗药物。

然而，DNA并不是最坚固的物质，在某些条件下会很快分解。细胞可能是有害的环境，因为它们通常含有切割核酸的蛋白质。即使DNA序列停留了足够长的时间来检测它们的目标，它们所形成的化学键也会使它们在之后变得无用。

“它们不能做像持续监测基因表达模式这样的事情。它们是一种用途，这意味着它们只给你一张快照”。

作为一种核酸，当涉及到作为生物计算机的组成部分时，RNA与DNA有许多相同的问题。它容易迅速降解，当一条链与目标分子发生化学结合后，这条链就完成了。但与DNA不同的是，RNA在合适的条件下可以成为一种可再生资源。为了利用这一优势，Schaffter和他的同事们首先需要证明RNA电路，这种细胞理论上可以产生的电路，可以像dna电路一样工作。

RNA相对于DNA的优势源于一种称为转录的细胞自然过程，在这个过程中，蛋白质以细胞的DNA为模板，连续不断地产生RNA。如果细胞基因组中的DNA为生物计算机的电路元件编码，那么细胞就会不断地制造计算机元件。

在生物计算过程中，电路中的单链核酸很容易与同一电路中的其他单链核酸结合，这是一种意想不到的效果，阻止了电路元件与预期目标的结合。这些电路的设计通常意味着不同的组件将自然地适合彼此。

为了防止不必要的结合，通常(在机器中而不是在细胞中)以双链形式单独合成被称为链置换电路的计算机的一部分DNA序列。由于每条链上的每个化学碱基都与另一条链上的一个碱基结合在一起，这双链就像一个锁定的门，只有在目标序列出现并取代其中一条链时才会解锁。

研究人员试图在他们的RNA电路中模仿这种“锁定的门”功能，记住，最终，细胞将不得不自己产生这些锁定的门。为了为细胞的成功打下基础，研究人员编写了序列，这样一半的链可以与另一半链齐平结合。通过这种方式结合，RNA序列会像热狗面包一样自我折叠，确保它们处于锁定状态。

但要想正常工作，这两道“门”需要是两条化学结合但截然不同的线，更像是汉堡面包或三明治，而不是热狗面包。该团队通过在门的折叠点附近编码一段称为核酶的RNA，获得了门的双链设计。这种特殊的核酶——取自一种肝炎病毒的基因组——会在它嵌入的RNA链折叠后，产生两条独立的链。

作者们测试了它们的电路是否能够执行基本的逻辑操作，比如只有在特定的场景下才会打开它们的门，比如两个特定的RNA序列中的一个存在，或者两者同时存在。他们还建造并检测了由几个门组成的电路，这些门串联执行不同的逻辑操作。只有当这些电路遇到正确的序列组合时，它们的门才会像多米诺骨牌一样一个接一个地打开。

这些实验包括将不同的电路暴露在RNA片段中——电路设计用来连接其中一些片段——并测量电路的输出。在这种情况下，每个电路末端的输出是一个荧光报告分子，一旦最后的栅极被打开，它就会发光。

研究人员还跟踪了电路处理输入时门的解锁速度，并将测量结果与计算机模型的预测结果进行了比较。

“对我来说，这些需要像DNA计算一样在试管中进行预测。DNA电路的好处是，大多数时候，你可以把一个序列写在一张纸上，它就会按照你想要的方式工作，”沙夫特说。“这里的关键是，我们确实发现RNA电路是非常可预测和可编程的，实际上比我想象的要多得多。”

DNA电路和RNA电路在性能上的相似性可能表明，转换到后者可能是有益的，因为RNA可以被转录来补充电路的成分。而且，研究人员已经开发了许多用于完成各种任务的现有DNA回路，从理论上讲，它们可以被RNA版本替换，并以同样的方式运行。不过，可以肯定的是，这项研究的作者需要进一步推动这项技术。

在这项研究中，作者证明了可转录电路的工作，但他们还没有使用真正的细胞转录机制来产生它们。相反，机器通过类似于用于研究的DNA合成过程来合成核酸。下一步需要将DNA插入到生物体的基因组中，作为RNA电路组件的蓝图。

“我们感兴趣的是接下来把这些放入细菌中。我们想知道:我们是否可以使用我们的策略将电路设计封装到遗传材料中?当电路在细胞内时，我们能得到同样的性能和行为吗?”Schaffter说。“我们有这个潜力。”

文章标题

Co-transcriptionally encoded RNA strand displacement circuits