新生物计算机能并行处理多个复杂信号
来源：科学网
概要：研究团队在大肠杆菌的活体细胞内诱导形成的RNA电路，能像微型机器人和数字计算机一样执行计算指令。
近日出版的《自然》杂志刊登了一篇研究论文：美国亚利桑那州立大学教授艾利克斯·格林和哈佛大学维斯生物启发工程研究所合作，研制出迄今为止最复杂的生物计算机。该计算机由RNA（核糖核酸）制成，能在大肠杆菌活细胞内对12种不同指令同时作出反应，控制细菌细胞的行为。
研究团队在大肠杆菌的活体细胞内诱导形成的RNA电路，能像微型机器人和数字计算机一样执行计算指令。格林表示，他们可以用计算机软件设计想要的RNA序列，并利用这些可以预测和编程的RNA相互作用，来构筑生物电路，这对智能药物设计、智能给药系统、绿色能源生产、低成本诊断技术，以及未来开发出用于追踪癌细胞或关闭恶性变异基因等的纳米机器，具有重要意义。
不同碱基在活细胞内自成RNA电路
早在2012年攻读博士后期间，格林就参与研发细胞电路的中心组件——RNA开关。这些RNA开关性能完善后，他们开始在活体细胞内开发更复杂的系统。
格林团队在实验室设计出名叫“逻辑门”的特殊RNA电路，然后插入大肠杆菌的活体细胞内。其能像传统数字电路一样，用“与”“或”“非”进行逻辑决定，只是传统数字电路输入输出的是电压信号，生物电路用特定化合物或蛋白质代替电压信号。当作为输入信息的RNA片段，与电路中RNA序列互补时，两者会结合，RNA开关被打开，逻辑门得到激活，从而产生想要的输出信号即蛋白质。
与之前研究中需要用到蛋白质等复杂中间体相比，这些只包含RNA的细胞内纳米电路是生物计算机领域的重大突破。现在研究人员只要在计算机上设计出RNA电路的组成成分，将这些RNA的碱基加入活体细胞后，它们会按照预定路线，自组装成与想要的功能一致的RNA电路。
堪称天然的奔腾处理器芯片
早在1994年，南加州大学科学家伦纳德·阿德曼首次提出可以将数据存储在DNA中，并用一条DNA解决了超级计算机无法解答的一道复杂数学题。此后，用生命物质DNA和RNA研发计算机获得快速推进。今年7月，有研究人员将电影片段成功存储到细菌活体细胞中，且经过多代更迭后，存储在基因中的电影完好如初。
现在，格林团队开发出的RNA电路能在大肠杆菌活体细胞内执行多项计算功能。当两条RNA信息A和B出现时，“与”逻辑门会在细胞内产生“输出”命令；当出现RNA信息A或者B时，“或”逻辑门作出反应；如果输入的是不同于A或B的另一条RNA信息，“非”逻辑门就会挺身而出，切断输出信号。将这些不同的逻辑门结合在一起，就能形成更复杂的逻辑门，对多个任务输入同时作出反应。
格林团队利用RNA开关制成的首批RNA纳米设备，能同时处理4个“与”输入、6个“或”输入以及包含“与”“或”“非”在内的12个输入等复杂操作。这些分别执行感应功能和输出功能的不同电路，能够集成压缩到一个细胞内，让细胞形成蛋白质的过程变得更加简单。
可用于研制神经电路和类脑网络
之前，格林团队曾研发出一种低成本的RNA开关试纸，并证明其可作为精准检测寨卡病毒的诊断平台，寨卡病毒的RNA能激活RNA开关，诱导蛋白质形成，让试纸的颜色发生改变。这类RNA测试平台可进行扩展，开发出针对许多不同传染病的低成本精准诊断技术，用于医疗资源和医护人员急缺的发展中国家，应对传染病暴发的紧急情况。
格林表示，他们下一步将重点研究如何在活细胞内用RNA开关制作神经网路电路，像神经元对其他神经细胞的输入信号进行加权计算一样，这些神经电路能分析大量兴奋和抑制等信号，随时调整兴奋信号和抑制信号的比例。以此为基础，通过调控分子信号，诱导细胞间相互交流，最终形成能交互作用的类脑网络。“总之，我们的方法提供了一个通用策略，除了用于微生物，RNA电路完全可用于其他生物甚至人类身上，可以利用RNA电路对人类细胞重新编程，延伸其生物功能。”
来源：科学网
欢迎加入未来科技学院企业家群，共同提升企业科技竞争力
一日千里的科技进展，层出不穷的新概念，使企业家，投资人和社会大众面临巨大的科技发展压力，前沿科技现状和未来发展方向是什么？现代企业家如何应对新科学技术带来的产业升级挑战？
欢迎加入未来科技学院企业家群，未来科技学院将通过举办企业家与科技专家研讨会，未来科技学习班，企业家与科技专家、投资人的聚会交流，企业科技问题专题研究会等多种形式，帮助现代企业通过前沿科技解决产业升级问题、开展新业务拓展，提高科技竞争力。
未来科技学院由人工智能学家在中国科学院虚拟经济与数据科学研究中心的支持下建立，成立以来，已经邀请国际和国内著名科学家、科技企业家300多人参与学院建设，并建立覆盖2万余人的专业社群；与近60家投资机构合作，建立了近200名投资人的投资社群。开展前沿科技讲座和研讨会20多期。 欢迎行业、产业和科技领域的企业家加入未来科技学院
报名加入请扫描下列二维码，点击本文左下角“阅读原文”报名