把DNA换成RNA，有望创造强大、可持续的生物计算机

就像我们正在阅读本文时，换成使用的望创物计计算机或智能手机一样，生物计算机也可以通过编程来执行不同类型的造强任务。

一旦技术完全成熟，大可的生由 DNA 制成的持续微型生物计算机可以彻底改变人类一系列疾病的诊断和治疗。然而，算机这些可在细胞和液体溶液中运行的换成基于 DNA 的设备，存在一个主要障碍，望创物计就是造强它们的寿命很短，只能使用一次。大可的生

近日，持续美国国家标准与技术研究院（NIST）的算机研究人员开发出新的可以在细胞内持续存在的长寿生物计算机。

发表在《科学进展》杂志上的换成一篇论文中，研究人员放弃了传统的望创物计基于 DNA 的方法，而是造强选择使用 RNA 来构建生物计算机。结果表明，RNA 电路与其基于 DNA 的云南idc服务商电路一样可靠和通用。更重要的是，活细胞能够连续创建这些 RNA 电路元件，而这是 DNA 电路不容易实现的。这一结果，进一步将 RNA 电路成为强大、可持续的生物计算机的潜力候选者。

NIST 博士后研究员、研究论文作者 Samuel Schaffter 表示：“与计算机的不同之处在于，你编写的不是由 1 和 0 组成的编码，而是由 A、T、C 和 G 字符串，它们是构成 DNA 的四种化学碱基。”

通过将特定的碱基序列组装成一条核酸链，研究人员可以决定它与什么结合。因此，一条核酸链可以被设计成附着在特定 DNA、RNA 或与疾病相关的免费信息发布网蛋白质上，然后触发与同一回路中的其他链的化学反应，以处理化学信息并最终产生某种有用的输出。

该输出可能是有助于医学诊断的可检测信号，也可能是治疗疾病的治疗药物。

（来源：MIT）

然而，DNA 不是最稳定的材料，在某些条件下会迅速分解。细胞内的环境也比较恶劣，通常含有能够破坏核酸的蛋白质。即使 DNA 序列停留足够长的时间来完成它们的程序目标，它们执行操作形成的化学键，也会使它们在之后变得无用。

“它们不能做诸如持续监测基因表达之类的事情。只能是一次性的用途。”Schaffter 说。站群服务器

作为核酸，RNA 与 DNA 有许多相似的问题。都易于降解，在一条链与目标分子化学结合后，这条链的使命也就完成了。但与 DNA 不同的是，RNA 在某种条件下是一种可再生资源。

为了利用这一优势，Schaffter 和他的同事首先需要证明，理论上细胞能够源源不断产生的 RNA 电路，可以与基于 DNA 的电路一样发挥计算作用。

实际上，RNA 可再生的优势源于一种称为转录的细胞过程，即细胞会将 DNA 作为模板连续产生 RNA。如果细胞基因组中的 DNA 为生物计算机中的电路元件编码，那么细胞将不断产生计算机元件。

图 | 将细胞作为生物计算机工厂（来源：NIST）

此外，在生物计算过程中，电路中的单链核酸很容易与同一电路中的其他链结合，这也是电路组件与其预期目标结合的一大障碍。为了防止不希望发生的结合，DNA 序列通常以双链形式单独合成。由于每条链上的每个化学碱基都与另一条链上的碱基结合，这条双链就像一扇锁着的门，只有当目标序列出现并取代其中一条链时才会解锁。

Schaffter 和 NIST 细胞工程小组的负责人、该研究论文的合著者 Elizabeth Strychalski 试图在他们的 RNA 回路中模拟这种“锁定的门”功能。为此，研究人员编写了序列，使一半的链可以与另一半齐平结合。通过这种方式，RNA 序列会像热狗面包一样自行折叠，确保它们处于锁定状态。

但要正常工作，门需要两条不同的链化学结合，更像是汉堡或三明治，而不是热狗面包。于是，研究人员通过在门的折叠点附近编码一段称为核酶的 RNA，在门中获得了双链设计。这种特殊的核酶取自肝炎病毒的基因组，会在嵌入折叠的 RNA 链后自行切断，形成两条独立的链。

接下里，研究人员测试了他们的电路是否可以执行基本的逻辑操作，例如仅在特定情况下解锁它们的门，以及是否存在两个特定 RNA 序列之一或仅当两者同时存在时解锁门。他们还构建并检查了由多个门组成的电路，这些门串联可以执行不同的逻辑操作。只有当这些电路遇到正确的序列组合时，它们的门才会像多米诺骨牌一样一一解锁。

图 | RNA 电路门可以协同工作以完成复杂的操作，比如当一个门打开时，它会释放一条 RNA 链，该链可以结合并打开另一个门（来源：NIST）

实验涉及将不同的电路暴露于 RNA 片段，并测量电路的输出。在这种情况下，每个电路末端的输出是一个荧光报告分子，一旦最后一个门被解锁，它就会亮起。

研究人员还跟踪了电路处理输入时门解锁的速度，并将其测量结果与计算机模型的预测进行了比较。

“对我来说，RNA 电路需要在试管中像 DNA 计算一样具有预测性。DNA 电路的好处是大多数时候，你只需在一张纸上写下一个序列，它就会起到你想要的作用。”Schaffter  说， “这里的关键是我们发现 RNA 电路非常可预测和可编程，实际上比我想象的要好得多。”

在这项研究中，研究人员证明了 DNA 和 RNA 电路在性能上的相似性，并表明切换到后者可能是有益的，因为 RNA 可以被转录以补充电路的组件。对于已经开发出来的许多现有 DNA 电路，它们可以换成 RNA 版本并以相同的方式运行来完成各种任务。

不过，目前研究人员还没有使用真正的细胞转录机制验证这一结果。研究人员表示，也将进一步推动这项技术。

“接下来我们有兴趣将它们放入细菌中。我们想知道：能否使用我们的策略将电路设计封装到遗传材料中？当电路在细胞内时，我们能否获得相同的性能和行为？我们认为是有潜力的。”

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