Nature重大成果：首个哺乳动物单细胞计算器

　　

生物通报道  哺乳动物细胞现在能够执行电子计算机的功能：进行逻辑运算。来自瑞士的研究人员给细胞装配了一个复杂的基因网络使得它不仅仅能完成如1加1的简单任务。相关研究论文发表在6月3日的《自然》（Nature）杂志上。

这项研究由来自瑞士苏黎世联邦理工学院生物系统系生物技术与生物工程学教授Martin Fussenegger领导。在文章中，研究人员构建了一个能够执行逻辑运算的基因网络，并由此启动了特异的代谢步骤。“我们开发出了第一个真正的细胞计算器，”Fussenegger说。

利用生物成分，研究人员开发出了一套不同的元件可在不同的组合中相互连接，并随后执行逻辑运算。这些术语称之为“逻辑门”的电路元件利用了苹果分子根皮素（phloretin）和抗生素红霉素作为输入信号。基于布尔逻辑（Boolean logic）进行计算。

具有模块化结构的计算器

研究人员利用生物元件构建出了几种“逻辑门”，例如“与”（AND）门，在计算机技术中也被称作“与”计算器（operator）。在“与”逻辑门中，需要提交两个输入信号根皮素和红霉素在输出信号中做作为“一”被计算。基于这个“一”，基因网络启动形成了一种荧光蛋白，使得细胞发光。如果缺失其中一种输入信号，细胞就不会发亮。

通过组合和相互连接几个逻辑门，生物技术人员最终获得了“半加器”（ “half-adder）和“半减器”（ half-subtractor），这两种计算机技术中的中心电路元件。半加器是一种基本的数字电路可以合计二进制数；另一方面，半减器负责减去它们。这两种元件存在于每个数字计算器中，负责执行大部分的运算。在细胞结构试验中，两个生物计算机元件生成了实质的结果。

第一个“真正”的可编程细胞计算器

“通过组合几个逻辑门，我们在细胞合成基因网络中获得了从所未有的复杂水平，”Fussenegger教授说。此外，值得注意的是生物计算器可以平行处理两个不同的输入和输出信号。这将生物计算器不同于数码电子产品，因为数码电子产品只能利用电子运作。

Fussenegger教授说：“当然，我们的计算器远远比不上电脑（PC）高效。然而从本质上讲，一个细胞能够平行处理许多不同的代谢产物。尽管到目前为止生物计算器只能够控制基本的二进制运算，一个哺乳动物细胞能够像这样运算就已经是一件令人惊叹的事情。”

其他一些科学家已经在酵母和细菌中实现了不同的电路元件。在新系统中，所有都存在于单个细胞里，基于哺乳动物细胞的复杂性其轻易就超越了酵母和细菌。

设想未来的应用

相比于改变细菌或酵母细胞，研究人员因此更加接近治疗应用。对于Fussenegger教授而言，可以想象如果有必要，细胞计算器可在遥远的未来和步骤中用于监控患者的新陈代谢。可将这些智能细胞植入到糖尿病患者体内，例如通过开发一个电路识别疾病相关代谢产物，调控具治疗效应物质的释放，例如胰岛素。然而目前研究人员离这样的应用仍相距甚远。

这一细胞计算器的想法来自Fussenegger的博士生Simon Ausländer。由于Fussenegger的实验室之前就具备了构建这一计算器的必要元件，这一想法便在这片沃土中成长。“这是合成生物学的美妙之处：我们只需要钻研这一工具箱，就可以创造出新的功能。”

（生物通：何嫱）

生物通推荐原文摘要：

Programmable single-cell mammalian biocomputers

Synthetic biology has advanced the design of standardized control devices that program cellular functions and metabolic activities in living organisms1. Rational interconnection of these synthetic switches resulted in increasingly complex designer networks that execute input-triggered genetic instructions with precision, robustness and computational logic reminiscent of electronic circuits2, 3. Using trigger-controlled transcription factors, which independently control gene expression4, 5, and RNA-binding proteins that inhibit the translation of transcripts harbouring specific RNA target motifs6, 7, we have designed a set of synthetic transcription–translation control devices that could be rewired in a plug-and-play manner. Here we show that these combinatorial circuits integrated a two-molecule input and performed digital computations with NOT, AND, NAND and N-IMPLY expression logic in single mammalian cells. Functional interconnection of two N-IMPLY variants resulted in bitwise intracellular XOR operations, and a combinatorial arrangement of three logic gates enabled independent cells to perform programmable half-subtractor and half-adder calculations. Individual mammalian cells capable of executing basic molecular arithmetic functions isolated or coordinated to metabolic activities in a predictable, precise and robust manner may provide new treatment strategies and bio-electronic interfaces in future gene-based and cell-based therapies.