科學家將人類細胞打造成「生物電腦」

(圖:Futurism)

波士頓大學的合成生物學(synthetic biology)研究團隊成功利用人類胚胎腎臟細胞製造出生物電腦,並進行一系列複雜的計算。利用細胞工程來製作微型電腦並非甚麼新鮮事。但隨著近年來合成生物學的興起,全球的科學家都不斷嘗試控制細胞的 DNA 來驅使細胞的生理活動。

一直以來,大部分實驗都是建基於基因結構較為簡單的細胞,例如大腸桿菌(E. coli)和其他細菌來達成的。要準確控制細胞的基因表達以及進行複雜的計算,研究人員需要嘗試將多個基因迴路 (Genetic circuit)組合起來。

DNA迴路

要組合出一個複雜的基因迴路並非易事,因為過程中需要利用一些調控基因表達的轉錄因子 (transcription factors)。但每個轉錄因子的特性都各有不同,令基因開關的設計變得更有難度。

為了避免轉錄因子的技術問題,合成生物學家 Wilson Wong 和其研究團隊則利用位點特異性 DNA 重組酶 (Site specific DNA recombinase) 來改善 DNA 開關的設計,並將其獨特的設計稱之為「透過 DNA 剪切的布林邏輯與算術」(BLADE)。

DNA 重組酶是一種具有辨識 DNA 序列以及剪切功能的酵素,其酵素剪切性質十分合適來充當基因開關 (on/ off switch)。

在其研究中,研究人員利用細胞的啟動子(promoter),一些獨特的 DNA 片段去設計出遺傳迴路。在正常細胞中,啟動子通常會位於基因上游並參與 DNA 表達以及將信使 RNA (mRNA) 轉譯成蛋白質。

複雜的生物電腦

在他們的實驗設計中,他們設計出 113 個不同的基因迴路,並擁有 96.5% 的成功率。而這個研究最大的壯舉是在於真核細胞中組合多個 DNA 重組酶來製作出可用於布林運算 (Boolean logic)中六個不同的及閘/輸入手段(6-AND gate)和 16 個邏輯閘的記憶體設計。

儘管,研究團隊所設計的大型迴路還沒有實質用途,但對於日後的「生物電腦」的設計提供了一個可靠的藍圖。

 

參考資料:

  1. Weinberg, B. H., Pham, N. H., Caraballo, L. D., Lozanoski, T., Engel, A., Bhatia, S., & Wong, W. W. (2017). Large-scale design of robust genetic circuits with multiple inputs and outputs for mammalian cells. Nature Biotechnology35(5), 453-462.
奕晞
明日科學編輯,英國諾丁漢大學微生物學學生,專注研究傳染病與免疫學,目前努力畢業中。