Sci Adv︱谭蔚泓/吕一帆团队基于网络拓扑的设计理念成功构建一种可以持续处理动态生物信息的分子CPU
撰文︱何岷泽
责编︱王思珍，方以一
编辑︱方以一
合成生物学的目的在于构建人工分子生物系统并执行定制的功能。自然细胞可以依靠其强大的生化反应网络连续接收和处理细胞外的信息并启动特定的细胞生化反应以适应不断变化的生存环境[1, 2]。同时，通过建立刺激阈值，自然细胞可以将有意义的刺激（meaningful stimuli）与弱噪声(weak noise)区分开，以避免背景噪音波动引起的信号通路异常激活[3, 4]。这种强大的信息处理能力得益于生物系统的复杂网络拓扑构型，而无法通过简单的级联反应实现[5, 6]。为了通过自下而上的方式在富含电解质的生物环境中实现这种持续的信息处理过程，研究人员开始思考能否构建一套由分子组成的动态信息处理系统。
2022年8月10日，湖南大学分子科学与生物医学实验室谭蔚泓院士/吕一帆副教授团队在Science Advances上发表了题为“Network topology-directed design of molecular CPU for cell-like dynamic information processing”的研究。该研究受生物系统网络拓扑的启发，通过集成四个前馈环和一个阈值门来实现类似自然细胞的动态信息处理过程（图1）。整个系统完全由DNA分子反应网络实现，并被进一步构建为人工细胞的分子CPU，驱动人工细胞在模拟血液循环系统中感知、分析和处理自然细胞产生的连续信号波动。
图1 mCPU工作原理图
（图源：Wang D, et al., Sci Adv, 2022）
首先，研究人员对整个动态分子处理系统进行了设计，将其构建为人工细胞的分子CPU（mCPU）。这种构建方式既赋予了人工细胞感知、分析和处理细胞外连续刺激波动的能力，也使得人工细胞为mCPU提供了独立安全的运行环境，提高了系统的运算效率。mCPU被封装在人工细胞内部，并通过DNA纳米孔连通人工细胞内外物质信息交流。在渗透压的驱动下，波动的生物信息在人工细胞内外保持一致。mCPU包含三个模块（图2）：1）信号转换器，用于将动态变化的生物信号转化为动态变化的DNA模拟信号，以进行下游分子计算；2）波动过滤器，用于i）确定DNA信号是否超过了阈值，ii）当DNA信号在阈值以下时（判定为弱噪声）阻断传导，iii）当DNA信号超过阈值时（判定为有意义的刺激）时允许传导；3）强度累加器，通过催化累加的方式累计通过波动过滤器的信号。mCPU可以对连续波动的生物信息进行持续过滤而不会发生组分损耗，且整个处理过程可以由基于热力学和动力学方程的数学模型精确描述。
图2 mCPU与人工细胞构造原理图
（图源：Wang D, et al., Sci Adv, 2022）
图3 mCPU的构建
（图源：Wang D, et al., Sci Adv, 2022）
作为概念验证，研究人员选择了一种常见的细胞外刺激——K+作为刺激模型[7, 8]，以验证mCPU的运行情况。K+特异性信号通过G四链体（G4）转导为DNA模拟信号（图3）。研究人员通过交替添加K+和CE（18-crown-6-ether，一种强的K+螯合剂），来模拟外界环境中K+的波动，并通过聚丙烯酰胺凝胶电泳验证K+作为模型刺激时mCPU各模块的运行情况（图3 A-D, F-G）。荧光动力学曲线记录了mCPU感知和过滤K+波动的情况，强度曲线在多个波动循环后没有明显改变，表明该系统具有良好的鲁棒性与可持续性（图3 E）。除此之外，由于小分子药物万古霉素（Van）的有效剂量（约7-14μM）和最大耐受剂量（约20μM）非常接近[9,10]，研究者也将万古霉素作为另一种刺激模型进行了研究（图3 H）。
图4 人工细胞的构建
（图源：Wang D, et al., Sci Adv, 2022）
接下来，研究人员开始尝试构建装备DNA纳米孔的人工细胞。他们首先用琼脂糖凝胶电泳对DNA纳米孔[11]的组装进行了表征（图4 A），并探究了利用反向微乳法[12]所合成囊泡的尺寸分布（图4 B）。之后，研究人员将mCPU封装在人工细胞内部（图4 C-D），并随之探究了在细胞培养条件下，人工细胞膜结构对mCPU独立运行的保护作用（图4 E-H）。研究人员还发现mCPU在人工细胞中的工作速率是离心管中的2倍左右，这种速率的提升可能是由于构成人工细胞膜的磷脂分子对网络运行具有一定促进作用，同时小体积限域所造成的比表面积增加又进一步促进了磷脂分子和网络的相互作用[13,14]。
图5 mCPU驱动人工细胞实现动态信息处理
（图源：Wang D, et al., Sci Adv, 2022）
研究人员进一步探究了人工细胞持续处理外部动态信息的可行性（图5 A)。他们构建了两种K+波动模型，10-5 mM K+（图5 B-C)以及 6-5mM K+（图5 D-E）模型，分别模拟严重高血钾症和中度高血钾症的临床数值，以此来研究人工细胞的动态信息处理能力。结果表明，mCPU驱动的人工细胞可以对不同程度波动的K+信号进行感知、过滤和记录，并输出对应的荧光结果。同样，作者也利用Van作为刺激信号做了验证，并取得了与K+波动模型类似的结果（图5 F-I）。以上结果证明了mCPU驱动的人工细胞在精确、连续的处理动态生物信息方面具有可行性与通用性。
图6 人工细胞与自然细胞对波动刺激的协同响应研究
（图源：Wang D, et al., Sci Adv, 2022）
研究人员进而构建了含有人工细胞与天然细胞的混合细胞群落，以进一步研究人工细胞与天然细胞在生理条件下对动态刺激的响应（图6 A）。高于正常值的K+浓度会导致天然细胞发生碱化[15,16]，因此作者通过使用pHrodo探针测定天然细胞pH变化来监控天然细胞的响应情况。研究人员发现，人工细胞和天然细胞对K+的持续波动表现出类似的反应（图6 A-D）。这些结果表明，人工细胞和天然细胞可以分别基于DNA反应网络和生物反应网络对细胞外的刺激波动做出同步响应。
研究人员也使用Van波动模型对混合细胞群落进行了研究（图6 E）。超过临界值（可耐受剂量）Van的积累会造成天然细胞不可逆的细胞凋亡，而人工细胞可以对天然细胞的凋亡做出早期警示（图6 F-H），这是因为人工可以快速接收和处理波动的Van刺激，而天然细胞需要运行一系列的信号转导机制来引起细胞凋亡。这些结果表明人工细胞在预警有害刺激波动信号引起的细胞延迟积累行为（如细胞凋亡）方面具有潜在应用价值。
图7 人工细胞和自然细胞在模拟血液循环系统中的响应情况
（图源：Wang D, et al., Sci Adv, 2022）
研究人员随后探究了人工细胞能否处理和记录天然细胞释放的动态信息。作者使用5 μM amphotericin B 和 10 μM ouabain刺激CEM细胞泵出K+（图7 A）[17]。泵出的K+会引起细胞外微环境的K+波动，再由人工细胞感知和处理。当细胞外微环境的K+浓度超出mCPU设定的阈值时，人工细胞的荧光在15-30分钟会出现明显累积（图7 A-C）。向细胞群落加入CE后，因为K+低于阈值，荧光强度不再改变（图7 A-C）。同时，天然细胞继续泵出K+，90分钟后，K+再次超过阈值，人工细胞的信号进行第二轮积累（图7 A-C）。以上结果表明人工细胞可以与天然细胞进行通信，并具有原位分析和实时记录生物微环境中天然细胞生理变化的潜力。
最后，研究人员利用毛细管和蠕动泵构建了含有人工细胞和天然细胞的模拟血液循环系统，进一步探索了人工细胞未来的应用场景（图7 D-F）。实验结果表明，人工细胞可以在模拟血液循环中正常工作并保持结构的稳定，表明人工细胞作为可编程类细胞生物信息处理装置并在血管中长时间工作的潜力。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq0917
湖南大学分子科学与生物医学实验室（MBL）的谭蔚泓院士和吕一帆副教授为该论文的通讯作者，王丹博士为第一作者。
湖南大学谭蔚泓/吕一帆团队招收对DNA纳米技术、人工细胞构建、分子识别探针与生物分析等研究方向感兴趣的研究生（推免生）以及博士后。欢迎联系：lvyifan1990@hnu.edu.cn
通讯作者：谭蔚泓院士（左）、吕一帆副教授（中），第一作者：王丹博士（右）
（照片提供自：谭蔚泓和吕一帆实验室）
作者简介（上下滑动阅读）
谭蔚泓，中国科学院院士、发展中国家科学院院士。谭蔚泓教授长期致力于分子医学、生物分析化学、化学生物学的前沿研究与临床应用，在Science等学术刊物上发表学术论文900余篇，H-index 157，引用次数逾85,000次。2014-2021连续八年入选全球高被引研究人员名单。研究成果获2014年、2020年国家自然科学二等奖，2018年何梁何利基金科学与技术进步奖，2018年美国化学会“光谱化学分析奖”，2019年美国PITTCON分析化学成就奖、2019年Ralph N. Adams生物分析化学成就奖。2005年当选美国AAAS Fellow，2015年当选中国科学院院士，2016年当选发展中国家科学院院士。
吕一帆，湖南大学化学化工学院副教授。研究方向包括DNA动态逻辑回路的仿生学应用、功能化DNA结构自组装的构建与生物学应用、生物分子的单分子荧光成像与运动分析、分子识别探针的构建与生物分析应用等。迄今已在国际著名期刊上发表SCI 论文30余篇，他引1000余次，H-index 22，其中以通讯作者或第一作者（含共同）在Nature Nanotechnology，Science Advances, Chem，Journal of the American Chemical Society，Nature Protocols等权威期刊发表论文12篇。
王丹，2017年本科毕业于四川大学，2022年博士毕业于湖南大学化学化工学院。研究方向涉及基于小分子和DNA技术的靶向药物递送，细胞逻辑调控，病毒检测和抑制，人工细胞仿生，光控微纳工程等。
【1】Cell Death Dis 综述︱林辉团队聚焦调节性T细胞在骨骼肌损伤修复与再生中的调控机制
【2】Nat Commun︱杨选明团队发现CAR-T可以靶向TCR Vβ治疗T细胞恶性肿瘤
【3】Nat Comm︱于强/陈清烽团队合作揭示三阴性乳腺癌缺氧微环境诱导免疫效应细胞失活以及PD-1抑制剂耐药的新机制
【5】APS︱宫念樵课题组发现天然化合物甲基丁香酚调控Nrf2减轻肾脏氧化应激损伤
【6】Sci Adv︱李舟/罗聃团队开发新型触觉传感器可进行材料相关信息的感知
【7】Nat Commun︱谭宏亮团队开发用于按需抗菌和细菌感染治疗的智能前药体系
【8】Autophagy︱陈玮琳团队揭示去泛素化酶USP22促进ATG5介导的NLRP3溶酶体途径降解负向调控炎症小体活化
参考文献（上下滑动阅读）
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本文完