人类细胞计算机或能在你生病时报警 | Nautre Methods 论文推荐

他们让多个细胞共同构成一个完全可编程的、能响应多重输入的多细胞回路。

未来能发出癌症警报的种植体“红绿灯”

图片来源 Yulia Babkina / Alamy Stock Photo

作者 Helen Thomson

翻译 阿金

审校 卓思琪

科学家已经制造出世界上最复杂的生物计算机：一组经生物工程设计的细胞终有一日将被植入人体内，用于检测疾病，并提供治疗。

2012年，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的 Martin Fussenegger 和他的同事设计了两个肾脏细胞——一种能够进行简单数学计算的生物回路。其中一个细胞能做加法：存在或者缺乏某两种化学物质，会启动细胞内的某种反应，让它呈现出不同的颜色。另一个细胞也以同样的方式运作，但是能做减法。

这种生物回路让人不由得联想到计算中的简单逻辑电路：从理论上讲，可以用这种简单逻辑制造一块皮肤贴片，让它在感染源存在的时候发光。

然而身体内的大部分生物反应没那么简单。

生物体内的反应很少依赖“单因子输入对应单因子输出”的模式，而更多以“多因子输入，多因子输出”的形式存在。比如在体内的高钙水平和不同激素共存时可能意味着不同的疾病或状况。

要想使其具有实用价值，生物计算机需要有执行更复杂数学计算的能力。但是，将多重计算“打包入”单个细胞内的难度不小。为了解决这个问题，Fussenegger 和他的团队设计出一种多细胞系统。在这个系统中，不同的细胞各自执行独立的计算，并且相互传递计算结果。

自动诊断

Fussenegger 设计的系统拥有九个细胞，每个细胞包含一套化学级联反应来响应三种化学输入：类似于传统电路中的 AND（与），NOT（非）和OR（或）系统。这些细胞通过相互释放并传递类似组胺的化学物质，来调节自己的活性。

所有的细胞共同构成一个完全可编程的、能响应多重输入的多细胞回路。

Fussenegger 评价说：“尽管目前还没有到动物试验的阶段，但是我们已经能肯定，这是迄今为止组装最复杂的生物计算机。”

“这项研究解决了可编程元件缺乏的问题，该问题是合成生物学中亟待突破的的局限之一。”英国纽卡斯尔大学（Newcastle University）的合成生物学家 Ángel Moreno 提到。他还说：传统意义上，一个细胞内的合成回路总是发挥相同的功能；但是 Fussenegger 的多细胞方法能够对回路进行编程，并且仅通过设定九个细胞的不同连接构型就能实现不同的计算能力。“这是非常强大的方法。”Ángel Moreno 夸奖道。

“在未来，像这样的生物计算机能被用来监测更复杂的医疗情况：比如钙水平的升高、激素的降低、以及某一癌症生物指标的增加，这三种信号一起出现就表示存在某一特定类型的癌症。” Fussenegger 展望道。他的团队想要研发出一种能够持续监测体内所有化学反应的单个植入物，并且用它用来解决、或帮助解决诊断治疗问题。

原文链接：

https://www.newscientist.com/article/2164784-most-complex-biocomputer-ever-is-made-from-human-cells/

相关论文信息

【论文题目】Programmable full-adder computations incommunicating three-dimensional cell cultures

【论文作者】Martin Fussenegger，David Ausländer, et al.

【发表时间】2017年12月4日

【发表期刊】Nautre Methods

【论文编号】DOI: 10.1038/nmeth.4505

【论文链接】https://www.nature.com/articles/nmeth.4505

【论文摘要】Synthetic biologists have advanced the design oftrigger-inducible gene switches and their assembly into input-programmablecircuits that enable engineered human cells to perform arithmetic calculationsreminiscent of electronic circuits. By designing a versatile plug-and-playmolecular-computation platform, we have engineered nine different cellpopulations with genetic programs, each of which encodes a definedcomputational instruction. When assembled into 3D cultures, these engineeredcell consortia execute programmable multicellular full-adder logics in responseto three trigger compounds.

阅读更多

▽ 故事

▽ 论文推荐

▽ 论文导读

内容合作请联系

[e-mail]