一旦技術完全充實，由DNA製成的微型生物計算機可以徹底改變我們診斷和治療一系列疾病的方式。然而，這些基於DNA的裝置可以在細胞和液體溶液中執行，其中一個主要絆腳石是它們的壽命有多短。只需一次使用，計算機就用完了。

現在，美國國家標準與技術研究所（NIST）的研究人員可能已經開發了長壽命的生物計算機，這些計算機可能會持續在細胞內。在《科學進步》雜誌上發表的一篇論文中，作者放棄了傳統的基於DNA的方法，而是選擇使用核酸RNA來構建計算機。結果表明，RNA迴路與基於DNA的同類迴路一樣可靠和通用。此外，活細胞可能能夠連續建立這些RNA迴路，這是DNA迴路所不容易的，這進一步將RNA定位為強大、持久的生物計算機的有前途的候選者。

就像您可能正在閱讀的計算機或智慧裝置一樣，生物計算機可以程式設計來執行不同型別的任務。

NIST博士後研究員、該研究的主要作者Samuel Schaffter說，區別在於，你寫的是A、T、C和G的字串，而不是用1和零編碼，而是組成DNA的四個化學鹼基。

透過將特定鹼基序列組裝成核酸鏈，研究人員可以決定它與什麼結合。鏈可以設計成附著在與疾病相關的特定DNA、RNA或某些蛋白質上，然後觸發與同一電路中其他鏈的化學反應，以處理化學資訊，並最終產生某種有用的輸出。

該輸出可能是有助於醫療診斷的可檢測訊號，也可能是治療疾病的治療藥物。

然而，DNA不是堅固的材料，在某些條件下可以迅速分解。細胞可能是敵對環境，因為它們通常含有切碎核酸的蛋白質。即使DNA序列停留足夠長的時間來檢測它們的目標，它們形成的化學鍵也會使它們事後毫無用處。

他們不能像持續監控基因表達模式這樣的事情。它們是一種用途，這意味著它們只是給你一個快照，”Schaffter說。

作為一種核酸，RNA在成為生物計算機基石時，具有許多DNA的困境。它容易快速降解，在鏈與目標分子化學結合後，該鏈就完蛋了。但與DNA不同，RNA可以在適當的條件下成為一種可再生資源。為了利用這一優勢，Schaffter和他的同事首先需要證明，理論上細胞能夠產生的RNA迴路可以與基於DNA的RNA迴路一樣發揮作用。

RNA在DNA上的邊緣源於一個稱為轉錄的自然細胞過程，其中蛋白質使用細胞的DNA作為模板連續產生RNA。如果細胞基因組中的DNA編碼為生物計算機中的電路元件，那麼細胞將持續產生計算機元件。

在生物計算過程中，電路中的單鏈核酸很容易最終與同一電路中的其他鏈結合，這種不良效應阻止電路元件與預期目標結合。這些電路的設計通常意味著不同的元件將自然地相互配合。

為了防止不希望的結合，作為計算機的一部分被稱為鏈位移電路的DNA序列通常（在機器中而不是細胞中）以雙鏈形式單獨合成。由於每股上的每個化學鹼基都與另一股的鹼基結合在一起，這種雙鏈充當鎖定的門，只有當目標序列出現並取代其中一條鏈時，它才會解鎖。

Schaffter和NIST細胞工程小組的負責人、該研究的共同作者Elizabeth Strychalski試圖在他們的RNA迴路中模擬這種“鎖定門”功能，同時銘記最終細胞必須自己產生這些鎖定的門。為了建立細胞取得成功，研究人員編寫了序列，以便一半的鏈可以與另一半齊平。透過這種方式結合，RNA序列會像熱狗麵包一樣摺疊在自己身上，確保它們處於鎖定狀態。

但要正常工作，大門需要兩股化學結合但不同的鏈條，更像漢堡包或三明治，而不是熱狗麵包。該團隊透過在柵極摺疊點附近編碼一段稱為核糖酶的RNA，獲得了其柵極的雙鏈設計。這種特殊的核糖酶——取自肝炎病毒的基因組——會在嵌入摺疊的RNA鏈後自行切斷，形成兩條獨立的鏈。

作者測試了他們的電路是否可以執行基本的邏輯操作，例如僅在特定場景下解鎖其柵極，例如兩個特定的RNA序列之一存在，還是僅在兩者同時存在。他們還構建和檢查了由幾個門組成的電路，這些門串聯執行不同的邏輯操作。只有當這些電路遇到正確的序列組合時，它們的門才會像多米諾骨牌一樣一個接一個地解鎖。

實驗涉及將不同的電路暴露在RNA片段中——其中一些電路被設計用於連線——並測量電路的輸出。在這種情況下，每個電路末端的輸出是一個熒光記者分子，一旦最後一個門解鎖，該分子就會亮起。

研究人員還跟蹤了電路處理輸入時閘門解鎖的速度，並將其測量結果與計算機模型的預測進行了比較。

對我來說，這些需要在試管中像DNA計算一樣具有預測性。DNA電路的好處是，大多數時候，你可以在一張紙上寫出一個序列，它會按照你想要的方式工作，”Schaffter說。這裡的關鍵是，我們確實發現RNA迴路非常可預測和可程式設計，實際上比我想象的要多得多。

DNA和RNA迴路之間效能的相似性可能表明，切換到後者可能是有益的，因為RNA可以轉錄以補充迴路的成分。從理論上講，研究人員已經為完成各種任務而開發的許多現有DNA迴路可以換成RNA版本，並以同樣的方式行事。然而，可以肯定的是，該研究的作者需要進一步推動這項技術。

在這項研究中，作者證明了可轉錄電路是有效的，但他們尚未使用真正的轉錄細胞機制生產它們。相反，機器透過類似於用於研究生產DNA的過程來合成核酸。下一步需要將DNA插入生物體的基因組，作為RNA迴路成分的藍圖。

期刊參考

：

塞繆爾·W。Schaffter，Elizabeth A。Strychalski。

編碼的RNA鏈位移回路

。

科學進步

，2022年；8（12）DOI：10。1126/sciadv。abl4354