黑科技-哺乳動物細胞變身「計算機」，或將成為抵抗癌症的新武器

如今電腦和網路已經成為人類生活中必不可少的部分。電腦是通過電路來處理各種各樣複雜的過程，滿足我們的需要。然而在生物領域，最新的一項技術使得哺乳動物體內也可以構建「電路」，成為了對抗疾病的新策略。

來自波士頓大學的Wilson Wong在《Nature Biotechnology》發表了他的最新的研究，在哺乳動物的腎細胞內，通過基因工程技術在細胞內構建多條「基因電路」來進行複雜的數據計算，相當於將細胞轉化成了生物計算機，有效的對抗癌症並按照人們的具體指令來對受損器官進行修復。

實際上通過基因工程改造細胞使之成為迷你計算機的研究已經進行了數年。最開始科學家們用細菌及大腸桿菌進行實驗，通過改造DNA使細菌在氧含量降低後亮燈警示，或者進行一些其他的較為簡單的運算。改造細菌和真菌成為迷你家算計的研究較為成功，但是在哺乳動物體內大規模改造DNA批量形成基因電路的研究卻始終無法獲得進展，主要原因在於哺乳動物細胞要複雜得多。

為了解決這一難題，Wong的團隊拋棄了傳統的通過轉錄因子來調控DNA的手段，採取了新型的通過scissorlike酶選擇性切除基因片段的方法。scissorlike酶是重組酶的一種，能夠識別兩個基因片段，每個片段的長度都在30到50個鹼基之間。一旦scissorlike酶識別到了靶點，就會將靶點之間的片段切除，並將剩餘部分縫合，形成新的DNA片段。

Wong的團隊依照傳統的細胞學機制，即DNA轉錄生成RNA，RNA翻譯生成蛋白質來設計基因電路。這個基因-蛋白質的過程是由啟動子發起的，啟動子通常位於一段基因的上游，啟動子生效後，位於啟動子之後的DNA開始進行轉錄過程，直到遇到終止子，該次轉錄結束。在Wong的研究里，例如設計一條最簡單的基因電路，在目標基因的啟動子之後插入四段基因片段，其中一個片段能夠生成綠色的GFP，並在該片段之前插入終止序列，在兩側插入scissorlike酶所能識別的基因片段。在同一個細胞插入另一個基因片段，能夠生成修飾後的重組酶，在特定藥物的刺激下就會進行基因片段切除，否則不會產生作用。

當GFP基因上游的啟動子激活後，RNA多聚酶將會立即接觸終止序列，停止DNA轉錄，並不再產生GFP。但是一旦接受藥物刺激，scissorlike酶將會被激活，切除位於靶點基因片段之間的終止序列，那麼RNA多聚酶重新開始生效，轉錄將會繼續進行，併產生GFP。

根據上邊最簡單的基因電路的構建原理，Wong的團隊通過設計其他的重組酶和選擇不同的位點插入相應的靶點基因片段，構建了廣闊而複雜的基因電路，每一條電路都有其獨特的作用，實現不同的邏輯操作。目前Wong的團隊能夠設計113條基因電路組成電路網路，並且成功率達到了96.5%。

Timothy Lu，來自麻省理工學院的生物學家激動的評價到：「這項研究極為振奮人心，這意味著我們在哺乳動物基因電路的設計規模上達到了空前的進步。」該項研究的確擁有著廣闊的發展前景，比如在癌症治療領域，目前新興的CAR-T治療技術，以其優秀的療效受到廣泛的關注，目前CAR-T治療技術對於白血病的治癒率超過了70%。然而CAR-T技術目前受到其副作用較強的技術障礙所限制，但是通過基因電路的設計，我們可以做到嚴格控制CAR-T細胞的活性，讓CAR-T細胞定時發揮作用，清除腫瘤細胞，極大的避免了細胞因子風暴的反應的發生，大幅度減低了副作用，保證了患者的身體健康。

此外，基因電路的構建，能夠真正實現幹細胞的定向分化，精準修復人體器官，避免了幹細胞的無效分化，抑制了其轉化為腫瘤細胞的傾向。兩者結合極有可能讓幹細胞治療在器官修復、抗衰老等一系列應用上達到一個新的水平。