Nature重磅：用活細胞搭建邏輯電路——調控細胞功能的跨學科之旅
隨著生物技術的逐日發展，跨學科在操控細胞功能方面起著無與倫比的作用。細胞工程師將面臨著前所未有的挑戰，這挑戰也許是劃時空，因為這壓力不僅是技術上的難題，更多的是倫理政策上的矛盾。
編譯：集智俱樂部翻譯組來源：Nature原題：Computer logic meets cell biology: h?ow cell science is getting an upgradeYvonne Chen 是加州大學洛杉磯分校的一位化學與生物分子的工程師，她用一種稱為嵌合抗原受體（chimaeric antigen receptors，CARs）的合成蛋白修改T淋巴細胞（T lymphocyte），使其可以找到兩個抗原 —— CD19 和 CD20。這個研究發現，如果某個癌細胞在免疫系統的攻擊中發生了突變，以至於T細胞已經無法認出其中一個抗原了，T細胞仍然能夠利用另外一個抗原找到並殺死癌細胞。抗原：刺激免疫系統，引起抗體生成的分子。
但是 Yvonne 並沒有用傳統的生物術語來概括自己的發現。在她看來，這種雙特異性抗體可以識別兩個目標，用計算機術語——「或」門（OR-gate）將其命名為「或」門嵌合抗原受體T細胞（OR-gate CAR）再合適不過了。
「或」門這個術語屬於計算機科學領域，指的是：當有任意兩個輸入項時，可觸發一個邏輯操作。用它來命名，不僅只用了兩個字便描述了細胞的工作，也可以和其他類型的雙特異性嵌合抗原受體T細胞區分開來。
雙特異性抗體：可以識別2種抗原的人工抗體，能夠激發對癌細胞的免疫反應。但是當 Yvonne 想要發表這篇論文時，卻遭到了部分同事們的一致反對，他們認為生物的研究成果不應以計算機邏輯語言來命名。然而倔強的她還是一意孤行，「我確實聽到很多人說用『或』門嵌合抗原受體T細胞（OR-gate CAR）會讓研究T細胞的人，無論是物理學家還是生物學家，都不知所云。現在大家卻都這麼叫了，因為這麼叫反而更清晰明了。」Yvonne 說，「或」門細胞研究已經可以開始臨床試驗了，她的實驗室也在培育細胞模仿其他邏輯性功能，例如「與」門（AND-gate）——只有當兩個蛋白質都正確時才可以執行操作，和「非」門（NOT-gate）——當蛋白質是正確時得到一個否定的結果。基因編輯的計算機細胞在重新設計細胞以獲得新的用途的時候，越來越多的生物研究室採用計算機科學與計算機工程的術語和概念來定義新的研究結果。科學家們通過遺傳編輯工具，能夠得到前所未有的細胞功能，有些 DNA 編輯技術已經存在了許久，例如利用病毒或者蛋白質進行編輯的鋅指核酸酶技術（zinc fingers），還有最近的 CRISPR–Cas9 技術，能夠更加精準地編輯 DNA 。CRISPR–Cas9：一種基因編輯技術，模擬細菌特有的免疫系統，定向尋找、切除蛋白 Cas9 中外來病毒的入侵基因。Yvonne 發明的 「或」門嵌合抗原受體療法 可以找到「隱身」的腫瘤，當癌細胞無法識別時，可以通過免疫治療找到並攻擊癌細胞。有了她的T細胞，癌細胞必須失去兩個抗原才能完全隱匿在免疫系統面前，但是想要癌細胞完全失去兩個抗原幾乎是不可能的。這也給她的療法帶來另一個棘手的問題，那就是當識別一種特定的癌細胞時，也會同時識別有同樣抗原的健康細胞進行攻擊。因此，Yvonne 設計了另一種的T細胞作為生物學裡的「與」門。在這個系統里，當T細胞得到目標抗原的信號時，會表達第二個受體，只有當第二個受體也獲得自身對應的抗原時，T細胞才能被激活並攻擊癌細胞。至於T細胞要用「與」門還是「或」門進行治療，應該取決於不同癌細胞的特徵。
科學家一次一個、以各種組合方式調整複製 DNA 的轉錄因子，創建大量數據，以了解每種不同的組合如何改變細胞功能。不過，過多的數據顯得非常複雜多樣，需要會建模的計算機學家來預測最後的結果。還有的研究人員正在研究其他治療方法，有一些是基於患者自身的免疫細胞，從分化培養的角度重新看胚胎髮育的研究。他們相信總有一天，人們可能會創造出現在難以置信的產品，加州斯坦福大學生物工程師 Drew Endy 甚至說，人類是「造物主」。
Endy 說，細胞的邏輯門還可以做更多的事情， 「現在已經能夠研究出讓全套布爾邏輯運算符在多種不同的細胞中運行了，每種不一樣的細胞分別採用不同的分子機制來實現各自的功能。最令人興奮的是，這類研究已經日漸成熟。」他設想了一個可計算自己分裂次數的程序細胞，如果一些細胞分裂得過快（這可能是癌症的早期徵兆），可以觸發細胞的程序性死亡，在癌細胞還沒大到被其他淋巴細胞發現之前，就把它扼殺在搖籃里。
來自幹細胞生物學和再生醫學研究所的斯坦福研究員、病理學家 Marius Wernig 設想創造「智能細胞」：可以監測身體各種疾病過程，並在出現問題時採取行動。 想要研究出這樣的細胞還有很長的路要走，但並非不可能。我們正處在一個非常激動人心的時刻，因為 CRISPR 和其他基因工程工具為設計「智能細胞」拓展了無限的可能性。Wernig 主要的研究領域是再生醫學。他的實驗室第一個將產生皮膚組織的細胞轉變為功能性神經元，不僅如此，他還利用成人產生的幹細胞來治療營養不良的大皰性表皮鬆解症，這是一種導致皮膚起水泡和裂縫的遺傳性疾病。他的目標是：從患者身上採集細胞，將其轉化為幹細胞，通過遺傳編輯工具對 DNA 進行遺傳修飾，然後將其轉變成正常的皮膚組織，作為新的皮膚移植到受損的皮膚組織上。他希望這種治療能在兩到三年內進入臨床試驗階段。為了了解編輯後的細胞是如何改變細胞的行為的，Wernig 和他的同事使用 CRISPR 分別改變不同的單個因子，然後對多個組合因子進行修改。他們沒有剪切或增加細胞基因組的DNA，而是打開或關閉人類細胞中的轉錄因子，以觀察這帶來的影響。他對2000多個轉錄因子，以及一些叫做染色質修飾體（chromatin modifiers）的DNA調節酶（DNA tweaking enzymes）進行了研究，相當於把細胞機器里的每一個螺絲釘都各自擰開了一遍，看看細胞的反應。Patrick Cahan，是來自馬里蘭州巴爾的摩市 約翰斯霍普金斯大學 細胞工程研究所的計算生物學家。Cahan 說，這種系統工程方法是尋找生物學答案的一種新方法，具有無限的可能性。通過這種方法，可以定量觀察到無數的基因組合的開啟和關閉，甚至是那些在幾十年的發育生物學研究中仍未能定量的基因。細胞工程的數據處理
Cahan 說，計算機科學在細胞工程中扮演著重要的角色。有部分原因是像 Wernig 的實驗那樣，計算機可以產生大量的數據，還可以確定哪些基因在哪種特定的細胞中表達，哪些基因不表達，其表達的量如何。這些結果可能是一個數據集，其中包含了數千個細胞中典型的20000-30000個變數。要理解所有這些數據，尤其是當許多不同的因素以複雜的組合工作時，需要計算機建模和機器學習進行處理。
Cahan 的目標是確保他的所有學生對基因組規模的計算都能非信非疑：確信計算可以提供有價值的答案，但是也要認識到數據不能回答哪些問題。他認為應該從實驗一開始就設計一項預實驗，以確保研究人員獲得的數據能夠讓他們獲得他們正在尋求的答案。
對於缺乏經驗的研究人員來說，他們會將數據組織起來以符合他們的假設，自以為看到了某些東西。然而他們不僅很容易犯這樣的錯誤，而且也很可能犯相反的錯誤：當看到與假設的不符時，有些人可能會認為它是這個大規模數據集的某種假象，並忽略它。而Cahan 說：這些數據可能就是寶石。Krishnendu Roy 是一名生物醫學工程師，指導位於亞特蘭大 喬治亞理工學院的國家科學基金會 細胞製造工程研究中心。他說，雖然人們已經非常擅長製造無生命的物體，甚至是製造相對簡單的生物產品，如單克隆抗體（monoclonal antibodies）的藥物，但是細胞的工業生產仍是一個全新的領域。Roy 說：「這可能是人類歷史上的第一次，我們正試圖進行工業規模化地生產『生命』。而這整個製造模式是不能沿襲傳統的生產模式的。」我們面臨的主要挑戰是：活細胞往往會隨著環境的變化而變化。不同批次的試劑、容器材料，無論它們是二維還是三維結構，甚至電場的存在，都會修改觸發的基因，使蛋白質發生突變甚至改變本來應該產生的代謝物。Roy 說：「這是一個非常敏感的產品，它會隨著輕微的操作而變化。這些變化是否重要，我們仍然需要弄清楚，」 對於細胞工程的產品，工程師需要了解生物的代謝過程，生物學家需要了解工業生產的系統。如果單純把一群工程師聚集在一起，沒有一張設計圖紙的話，永遠也得到不了想要的結果。細胞工程師細胞工程是一個多學科交叉的領域，對研究人員來說，了解涉及他們工作的所有專業是很重要的。Roy 說：「現在，有了細胞生物學、醫療保健和數據科學這些領域交叉貫通，我們對細胞的具體特徵更加地了如指掌。」
Endy 曾幫助斯坦福大學和劍橋麻省理工學院設計生物工程本科課程——《科學與工程的結合點》。他認為，結合各個領域的專業知識和解決問題的方法，例如：分子生物學、生物信息學、化學工程、工業工程等，才能使細胞工程實現。當科學家和工程師看待科學問題時，兩者的角度是不一樣的，對於工程師來說，重要的是是否能達到工作結果；然而對生物學家來說，更重要的最終成果是知識，以及如何描述這個生物學知識的原理。Endy 對細胞工程師提出了以下幾點建議。第一，在多個領域都有一定的知識。Endy 說：「一名結構工程師需要了解混凝土鋼筋，比如楊氏模量、應力、應變這些知識等。而一個生物工程師，則必須了解細胞，分子，組織。」第二，了解系統設計。無論是找到建築物需要支柱支撐的位置，還是細胞需要特定蛋白質發揮作用的位置。但是在理科專業中一般是不能找到一門確切講系統設計類課程的。第三，知道什麼是可能的。正如一個工程師需要認識到，沒有水泵，水就不會逆地心引力而走，而細胞工程師需要了解細胞的各個部分是如何相互作用的。「我們需要深入研究生命的物理學知識。」第四，找到一個問題。Endy 說：「一個從事生物學工作並選擇了從事領域的科學家可能首先會問：『什麼是一個好的科學問題？』然而，一個工程師可能會說：『墨西哥香草農場發生了什麼事，我能做些什麼來改善它嗎？』」所有的細胞工程師都認為，他們必須從他們的專業領域之外學很多東西。例如，Yvonne 必須學習如何進行臨床試驗。她注意到有一個問題，就是要確定一種藥物的體積，而這種藥物必須能夠準確地注入病人體內。她不僅要考慮她所做的努力是否成功，還要考慮她能否以一種可申請專利的方式進行免疫治療。免疫治療是非常昂貴的，因此維護知識產權有助於支付臨床試驗費用。在 Endy 看來，這個領域不僅體現了一系列新的科學和工程問題，而且還暴露出了倫理和政策的問題。他說：「我們有足夠的能力讓100億人在不破壞地球的情況下繁榮起來。而要達到這個目標的前提是：我們需要確保對『生命』有足夠的掌控能力。預計到2030年左右或者之前，我們將能夠做到。」但是，新領域的發展也不禁令人發問：我們究竟期望生物能夠帶給我們什麼呢？我們與生物的關係又應該如何呢？
參考文章1. Zah, E. et al. Cancer Immunol. Res. 4, 498–508 (2016).2. Vierbuchen, T. et al. Nature 463, 1035–1041 (2010).3. Liu, Y. et al. Cell Stem Cell 23, 758–771.E8 (2018).作者：Neil Savage翻譯：烯智原文地址：https://www.nature.com/articles/d41586-018-07595-4
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