世界上最聪明的细胞

在合成生物学领域，研究人员希望能通过设计细胞，使其能像个小机器人一样，用于检测环境中的毒素，研发药物等。要实现这样的目标，这个系统就需要能进行逻辑运算以及记忆储存，但是目前大多数细胞的遗传环路只能有效完成这其中一项。

“要构建复杂系统，不仅需要记忆功能，而且也需要逻辑运算，”来自麻省理工学院（MIT）电子工程和计算机科学系助理教授卢冠达(Timothy K. Lu)表示，这位青年科学家曾入选美国麻省理工学院百年期刊《技术评论》评选的世界青年科技创新家。

近期卢冠达与他的同事们构建了第一个能将计算的两个基础功能：逻辑功能和记忆结合起来的细菌细胞环路，这一系统能编码DNA可遗传数据，已证实在细菌中传代90代。相关研究成果公布在2月的Nature Biotechnology杂志上。

在2009年，这一研究组曾在Science杂志上发表文章，设计出了一种特殊的系统，能激活大肠杆菌的某些基因，进行计数并“记住”细胞中发生的事件。这一系统利用了一系列重组酶反应，主要是通过模仿计算机芯片制成的，可用于统计细胞分裂的次数，或研究一系列发育阶段，还可以充当生物传感器，来统计细胞接触不同毒素的次数。

在此基础上，卢冠达等人又设计了一种新的环路系统，能利用重组酶切断DNA片段，并将其翻转，然后将它们插入到基因组中去。这样这些DNA片段就会被向上或向下翻转，就好像将其打开或关上，类似于‘1或‘0的二进制代码。

如果DNA二进制阻碍了调控DNA，如激活基因表达的启动子，那么这种机制就能作为一种双输入逻辑门，检测多个输入，然后输出一个答案。在这里，输出是指该基因是否被激活。由于细菌基因组中的实际DNA会发生稳定改变，因此这种输入就会被永久存储。研究人员证实，这些细胞能在至少90代以内保持这些记忆。

通过这种方法，研究人员构建了一个复杂系统，其中重组酶靶向的是，调控绿色荧光蛋白（GFP）表达基因启动子周围的DNA序列，他们在每个细胞中创建了总数为16个双输入的Boolean逻辑函数。举例来说，当重组酶“点开”靶向DNA序列，那么启动子就会激活GFP基因，从而细胞就会表达GFP蛋白发光。一旦这些序列被“关闭”，系统也不会回到最初状态。因此如果卢冠达希望了解这个细胞的输出历史，他既可以通过检测细胞GFP的输出，推测出输入情况，也可以测序细胞中被储存的DNA数据。

他表示，带有逻辑和记忆功能的遗传环路，能用于追踪机体中疾病相关的基因是开启的，还是关闭的，从而用以研究疾病的进程。而且对于生物技术而言，该系统也可被用于编程细胞，使其在某个水平上表达药物，这就无需不断的刺激细胞，并且其后代也能生产药物。

卢冠达目前计划将这一系统延伸到真核生物中去，希望由此能设计出追踪干细胞复杂分化过程的遗传环路，然后发现能获得想要细胞类型的方法。

“我们希望能更有效的将细胞分化用于治疗目的，或者为研究这些途径的科学家们找出一种新工具”，他表示。