一個細胞，一台計算機

合成生物學家正在嘗試使用具有計算能力的活細胞診斷、治療疾病並監測環境污染。撰文?盧冠達（Timothy K. Lu）?奧利弗 · 珀塞爾（Oliver Purcell）?翻譯?謝震?馬大程最早的「計算機」（Computer）是生物學意義上的：他們擁有兩條手臂、兩條腿和十根手指。那時，「計算機」指的是一種工作，而不是某種機器。在20世紀40年代末期，隨著可編程的電子計算機出現，這個職業逐漸淡出人們的視野。從那以後，在我們心中「計算機」指的就是電子設備了。然而，在過去15年間，生物學開始重返某些計算領域。來自大學和生物技術創業公司的科學家相信，他們很快就能把第一代生物計算機從純粹的研究對象變成有實際應用價值的工具。這些由基因、蛋白和細胞搭建起來的系統，可進行基本的計算機邏輯運算：「如果/就」 (IF/THEN)判斷，「與」(AND) 和「或」(OR)運算，甚至一些簡單的算術運算。一些系統還具有初級的數字存儲功能。輸入恰當的生物信號，這些活的生物計算機便可以（在大部分情況下）輸出可以預測的結果。5年內，第一批用於精確診斷和治療癌症、炎症以及罕見代謝異常等人類疾病的生物計算機將問世。我們和其他正在設計這些細胞邏輯系統的研究者預見，在不遠的將來，這些系統可以變得足夠安全和智能，既能用於診斷疾病，也可以治療疾病。不僅如此，這種技術還能以更快、更廉價的方式生產複雜的化合物，比如生物燃料和藥物等。另外，我們還可以設計出能夠監控和降解有毒物質的生物體，將它們散播進生態系統，以應對泄漏。當然，這並不是說生物計算機目前已經相當先進。恰恰相反，這個領域目前仍然處在起步階段，如果把生物計算機想像成iPhone那就大錯特錯了，請把它想成Colossus。Colossus是最早的可編程電子計算機。如果你穿越時空來到1944年的英國，走進位於倫敦北部的布萊切利園，當時絕密的密碼解讀中心，就可以看到剛投入使用的Colossus正在呼呼地運轉，紙帶在滑輪上快速移動，1600個真空管嗡嗡作響。以今天的標準來看，Colossus簡直原始得可笑。正如collossus這個詞本身的含義——「巨大」，Collossus填滿了整整一間屋子，但它只能執行有限的幾種運算，而且無法存儲自己的程序。設計、載入和測試一個程序往往需要幾天或者幾個星期的時間，而且操作者每次都得給機器重新連接線路。儘管有這些限制，但Colossus可以破解納粹用來給最重要的消息加密的密碼。這個笨重的初級計算機最終幫助盟軍贏得了世界大戰。數十年之後，它的後代驅動著人類文明從工業時代到信息時代不斷進步。目前最出色的生物計算機，實際比Colossus還要更加簡單、緩慢和無能。與早期的數字電子計算機一樣，生物計算機並非總能可靠地工作，它們只能運行非常簡單的程序，離開實驗室後不能重新編程。但是，我們看到生物計算機具有給社會帶來變革的潛力，正如誕生之初的數字電子計算機那樣。即使是一點點計算功能，巧妙運用的話，也可以對生命系統產生近乎魔法的效果。細胞計算機不太可能替代電子和光學計算機。生物學不可能贏得與固態物理學的比拼。不過生命的化學機制擁有自己的獨特力量，而且可以通過電子系統無法勝任的方式與自然界交互，畢竟，自然界有很大一部分是遵從生物學規律的。生物計算元件從某種意義上講，我們體內的每一個細胞都是小型的計算機。生化分子接觸細胞表面，為其輸入數據。然後，細胞會通過體內錯綜複雜、層層級聯的分子相互作用處理這些數據。這些反應有時會影響細胞DNA中一個或多個基因的表達水平。 「表達」指的是基因轉錄成RNA，然後再翻譯為多個由該基因編碼的蛋白質分子。類似的，經化學計算後輸出數據的現象還有腺細胞分泌激素，神經細胞產生電脈衝，免疫細胞產生抗體等。作為合成生物學家，我們致力於利用細胞天然的信息處理能力，運行我們自己設計的程序。我們渴望大幅超越傳統的遺傳操作，諸如敲除一個基因、啟動一個基因或者從其他物種轉入若干基因等。我們的目標是像電子工程師設計電路板一樣，從目錄中選擇標準化的元件並將它們連接起來，快速可靠地操控多種不同細胞（或者細胞群體）的行為。可惜的是，生物學和電子學在很多方面都存在巨大差異，令我們的雄心受挫。後面我們會詳細解釋這些差異。雖然進展緩慢，但這一領域目前已經取得了堅實的進步。第一個重大進展出現在2000年，波士頓大學的詹姆斯·柯林斯（James Collins）和同事將兩個相互干擾的基因組合在一起，製成了可以在兩個穩定狀態間切換的基因開關，從而實現了1個比特的數字存儲。另外，普林斯頓大學的邁克爾·埃洛維茨（Michael Elowitz）團隊在大腸桿菌中植入了一個初級的振蕩器。經過改造的大腸桿菌能周期性地打開和關閉熒光蛋白基因，可以像聖誕節的彩燈一樣一閃一閃發光。2003年，當時在普林斯頓大學的羅恩·韋斯（Ron Weiss）設計了「金鳳花姑娘」（Goldilocks）基因迴路：當環境中特定化合物的濃度剛剛好，不太高也不太低的時候，這個基因迴路會讓細胞發光。這個系統連接了四個反相器，這些反相器可以將高信號（指濃度高）轉換為低信號（指濃度低），或者把低信號轉換為高信號。幾年之後，加利福尼亞大學伯克利分校的亞當·阿金（Adam Arkin）和同事設計了可遺傳的存儲系統。這個系統在啟動後會利用重組酶從DNA上裁下一小段，然後將這個片段翻轉，再放回到原先的位置。這樣，修飾後的DNA片段就可以在細胞分裂的時候，穩定地遺傳給子代細胞，對於每隔1~2個小時就分裂一代的細菌來說，這是非常有用的方法。以上所講的都是可實現單個操作的元件，將不同的元件組裝起來實際上要複雜得多，但也更有用。目前，合成生物學家已經設計出了可以執行數字邏輯的所有基本布爾運算的基因元件，包括（AND、OR、NOT、XOR等）。在2011年，兩個研究團隊分別將單個邏輯門植入細菌細胞，並為細胞編程，使它們可以通過化學信號相互聯繫，從而創造出了多細胞生物計算機。瑞士蘇黎世聯邦理工學院的馬丁·富塞內格爾（Martin Fussenegger）和西蒙·奧斯倫德爾（Simon Ausl?nder）以及他們的同事將簡單的合成生物學元件組裝起來，實現了可以進行簡單算術運算的高級系統。本文作者盧冠達與柯林斯和哈佛大學醫學院的喬治·丘奇（George Church）等人合作，將可遺傳的存儲元件級聯起來，植入到大腸桿菌中，從而得到了可以計數到3的系統。細菌的存儲狀態在細胞分裂的過程中可以完整保留。這是非常有用的工具，因為我們可以將過去的生物化學事件記錄下來，以便在將來合適的時候檢索。原則上，我們創造的計數工具可以進一步加強從而記錄更大的數字，並且記錄重要的生物事件，比如細胞分裂或者細胞自殺。走嚮應用生物計算已經不僅僅是概念展示，這種技術即將走進實際應用。在過去的幾年時間裡，我們和其他團隊找出了多種方法，可以設計出具備感受器、邏輯運算和存儲功能的基因迴路，目前已經可以在活細胞中執行真正有用的功能。2011年，由目前在麻省理工學院的韋斯、清華大學的謝震和瑞士聯邦理工學院的雅各布·貝嫩森（Yaakov Benenson）組成的團隊創造出了非常高級的基因邏輯運算系統，如果一個細胞包含特定的癌症特徵，這個系統就可以讓細胞自我摧毀。這種基因迴路會監控6種不同的生物信號的水平，這些信號主要是調節基因表達的RNA短序列，即microRNA。在源自人體的癌細胞Hela細胞中，這6種microRNA信號構成了一種獨特的表達模式。在Hela細胞中，這個基因迴路會打開基因自殺開關，產生可以指引細胞進入自殺程序的蛋白。而在非Hela細胞中，這個基因迴路處於失活狀態，不會驅動細胞自殺。包括我們自己在內的其他研究團隊證明，生物計算基因迴路可以執行基本的加減、除法和對數運算，可以將2位的數字信號轉化成以蛋白質水平表示的模擬輸出，還能記錄所有邏輯門的開關狀態並可以將信息傳遞給子代細胞。去年，我們團隊與同在麻省理工學院的克里斯托弗·福格特（Christopher Voigt）團隊合作，開發了可以在哺乳動物腸道內工作的生物計算微生物。我們使用小鼠作為測試對象，但我們選擇進行遺傳操作的，多形擬桿菌（Bacteroides thetaiotaomicron）是天然存在於人體中的，幾乎一半的成年人腸道內都有大量的這種細菌。此前，哈佛大學醫學院的帕梅拉·西爾弗（Pamela Silver）和同事曾改造大腸桿菌，使其在小鼠的腸道中按設計運作。基因迴路可將細菌變成間諜。當細菌在腸道中徘徊的時候，會把自己的部分DNA用作筆記本，記錄是否遭遇了某種預定的化學成分。我們以一種無害的藥物為試驗對象，給小鼠餵食。這種藥物在宿主患有特定疾病的時候，很容易轉變成毒性分子或者生物標記物。讓小鼠攝入這些藥物後，我們可以檢測它們排出的糞便中的細菌。這些細菌起著監控作用，如果它們曾經接觸過前面提到的藥物，基因迴路就會讓細菌產生熒光素酶，這種酶可以在黑暗中發光，儘管非常微弱，但是我們可以在顯微鏡下觀察到。不難想像，這類生物計算系統對於患有特定腸道疾病的患者特別有用，比如炎症性腸炎（inflammatory bowel disease，IBD）。很快，我們就可以為天然存在於腸道中的無害細菌編程，用它們找出和診斷早期癌症或IBD。這個生物計算系統可以改變糞便的顏色，或者為其添加化學成分，這些成分可以用類似家用早孕試紙的廉價工具進行檢測。 挑 戰 前面提到的細胞哨兵並不需要特別複雜的邏輯運算就可以給目前的診斷方法帶來巨大的進步。簡單的IF/THEN，幾個AND和OR邏輯門，以及1位或者2位的持久存儲元件就已經足夠了。對我們來說這很幸運，因為相對於電子計算系統，生物計算機需要面對更多的挑戰。與電子線路上千兆赫的運算速度相比，生物計算機的速度簡直跟蝸牛一樣。當我們把數據輸入基因系統後，通常需要數個小時才能看到輸出結果。幸運的是，很多我們感興趣的生物過程並不是在很短的時間內完成，但是研究人員仍在不斷尋找讓活細胞中的運算變得更快的方法。通信是另外一個需要面對的問題。在傳統的計算機中，將各個元件直接使用電線連接即可避免雜訊。當很多元件需要共用一條電纜的時候，可以讓它們根據一個通用的時鐘信號保持同步，從而讓每個元件在不同的時間窗口發送或者接收信號。然而生物系統是無線的，而且並沒有一個通用的時鐘。類似於收音機，在細胞之間或者細胞內進行通信存在固有的雜訊。一個原因是生物元件使用化學物質而不是物理線路傳遞信號。使用某種「化學信道」的所有元件都是同時發送信號的，更麻煩的是，接收和發射信號的化學反應本身就有雜訊，生物化學是一種概率遊戲。設計一個能在噪音干擾的情況下可靠計算的系統一直是一大挑戰。許多生物計算系統使用的是模擬計算方法，它們受這些問題的影響最為嚴重。因為就像計算尺一樣，它們依賴於可以連續變化的值（蛋白質或者RNA的水平）。而數字系統恰恰相反，它們處理的信號是高或者低，真或者假，不存在中間值。儘管這使得數字邏輯運算對雜訊干擾的抵抗力更強，但目前以數字方式工作的生物元件還很少。我們面臨最大的問題是不可預測性，這是對無知的一種比較客氣的說法。在電子工程師搭建新的電子線路之前，有很多數學模型可以近乎完美的預測新電子線路的功能。而生物學家對細胞（即使是細菌這樣的簡單細胞）工作機制的了解仍十分有限，不足以做出同樣準確的預測。我們主要通過反覆試錯摸索前進，而且經常發現系統只能在短暫時間內正常工作，然後就不行了。多數時候我們也不知道為什麼會這樣。但是，我們在不斷的學習，我們在細胞中構建生物計算機的另一個目的是，通過這一「構建、測試和排錯」過程，我們可以發現細胞生物學和遺傳學研究從未注意到的很多細節。新計算機的誕生也許我們要花費數十年的時間才能解決所有的難題。一些問題，諸如生物計算運行緩慢，也許永遠無法得到解決。因此，生物計算看起來永遠無法與電子計算指數級的增長趨勢相媲美。我們並不指望生物計算機在數學計算或者傳輸數據上比傳統的計算機更加快速。不過，我們讀取和合成DNA的效率正在加速提升，這的確有益於生物計算系統的發展。類似於摩爾定律，這個趨勢正在縮短設計、構建、測試和調試基因迴路時花費的時間。儘管目前仍然為時尚早，但是具有商業價值的生物計算應用已日益臨近。細胞可以在生物組織中巡航，辨認複雜的化學信號，刺激生長，促進癒合，它們所採用的方法是傳統的電子晶元無法實現的。如果生物計算機診斷效果良好，那麼下一步我們就可以利用它們在發現疾病的同時就地開展治療。工作原理僅僅略微改變一下細菌的基因組，生物工程師就可以將它們轉化為診斷炎症性腸炎的工具。添加到基因組的兩個感受器，作用相當於一個邏輯與門。還有一個存儲迴路和一個用於產生熒光信號的基因。
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