科學(xué)家用生物“計(jì)算機(jī)”摧毀癌細(xì)胞
日期：2011-09-09 08:14:03
近日來自哈佛大學(xué)、麻省理工學(xué)院以及瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等工業(yè)學(xué)院的研究人員在新研究中成功地將生物“計(jì)算機(jī)”診斷網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入到人類細(xì)胞中，這種生物網(wǎng)絡(luò)通過對(duì)5種腫瘤特異性分子進(jìn)行邏輯組合分析識(shí)別出了特異的癌細(xì)胞，并觸發(fā)了這些癌細(xì)胞的毀滅過程。這一研究成果在線發(fā)表在9月2日的《科學(xué)》（Science）雜志上。
文章的通訊作者是哈佛大學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)中心的生物工程學(xué)家Yaakov Benenson及麻省理工大學(xué)的Ron Weiss教授。Benenson長(zhǎng)期致力于開發(fā)在活體細(xì)胞內(nèi)運(yùn)作的生物計(jì)算機(jī)。
生物計(jì)算機(jī)是一種完全由DNA、RNA及蛋白質(zhì)構(gòu)成的分子自動(dòng)機(jī)（molecular automata），它們的“輸入”是細(xì)胞質(zhì)中的RNA、蛋白質(zhì)以及其他化學(xué)物質(zhì)，“輸出”的則是很容易辨別的分子信號(hào)。由于生物計(jì)算機(jī)能夠探測(cè)和監(jiān)控基因突變等細(xì)胞內(nèi)一切活動(dòng)的特征信息，因此它們可以確定癌細(xì)胞等病變細(xì)胞。此外，它們還能夠自動(dòng)激發(fā)微小劑量的治療行為。
利用這些“分子醫(yī)生”將有望引發(fā)人類醫(yī)學(xué)的重大變革——明確地對(duì)人體病變細(xì)胞或組織進(jìn)行治療，而健康的細(xì)胞完全不會(huì)受到干擾。不過，要最終實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，還有很長(zhǎng)的路要走。科學(xué)家近期進(jìn)行的一些相關(guān)研究，大都是嘗試以不同方式開發(fā)具有多種用途的生物計(jì)算機(jī)。
在這篇文章中，研究人員成功構(gòu)建了一個(gè)多基因合成“電路”，此電路負(fù)責(zé)鑒別腫瘤細(xì)胞與正常細(xì)胞，進(jìn)而靶向性摧毀識(shí)別的腫瘤細(xì)胞。其具體工作原理是：對(duì)細(xì)胞內(nèi)5種腫瘤特異性分子及出現(xiàn)頻率進(jìn)行抽樣及綜合分析。是由當(dāng)5種因子同時(shí)在細(xì)胞內(nèi)出現(xiàn)時(shí)，該電路才做出正識(shí)別響應(yīng)。這使得腫瘤檢測(cè)的精確性大大增高。研究人員希望這一成果能為開發(fā)出特異的抗癌治療奠定基礎(chǔ)。
隨后科學(xué)家們用這一多基因合成網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室中培養(yǎng)的兩種人類細(xì)胞Hela細(xì)胞（一種子宮頸癌細(xì)胞）和正常細(xì)胞進(jìn)行了檢測(cè)。當(dāng)遺傳生物計(jì)算機(jī)被導(dǎo)入到這兩種不同的細(xì)胞類型中時(shí)，只有Hela細(xì)胞被摧毀，而正常細(xì)胞則安然無恙。
獲得這一結(jié)果并非易事，研究人員為之投入了大量的基礎(chǔ)工作。Benenson及同時(shí)首先針對(duì)正常健康細(xì)胞和Hela細(xì)胞中的miRNA分子進(jìn)行了高通量篩查，最終確定了能將Hela細(xì)胞從健康細(xì)胞中鑒別出的5種特定的miRNA組合。
“這些miRNA分子被導(dǎo)入到細(xì)胞中進(jìn)行檢測(cè)。新型的生物計(jì)算機(jī)利用諸如‘是’與‘非’的邏輯運(yùn)算對(duì)這五種miRNA分子進(jìn)行組合。只有當(dāng)對(duì)所有分子的整體運(yùn)算結(jié)果為邏輯‘真’時(shí)才會(huì)生成需要的結(jié)果——即促使細(xì)胞死亡，”Benenson說。
目前研究人員已確定這一生物計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在活細(xì)胞中能夠非常穩(wěn)定地工作，準(zhǔn)確組合所有細(xì)胞內(nèi)因子并生成正確答案，這代表著研究者們?cè)谠擃I(lǐng)域又向前邁進(jìn)了重要的一步。
