“基因电路”，为细胞计算机铺平道路

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斯坦福大学的研究者利用DNA和RNA设计出一种“基因电路”，可以放大和切换遗传信号，相当于单个细胞中的“生物晶体管”。他们的发现为创建细胞计算机打下了基础。

视频说明：斯坦福大学的生物工程师使用遗传物质DNA和RNA构建了一种“生物晶体管”，并通过它在细胞中构建出包括与门（AND）、或门（OR）在内的6种基本逻辑电路。研究者将基于转录器的逻辑门电路称为“布尔整合酶逻辑电路”（Boolean Integrase Logic），或简称“比尔•盖茨电路”（BIL gates）。转录器还具有放大信号的功能，整合酶表达量的微小差异可能引起靶基因转录效率的巨大变化。来源：Drew Endy
近日，斯坦福大学的生物工程师使用遗传物质DNA和RNA构建了一种“生物晶体管”，通过它在活细胞内进行逻辑运算，放大和切换遗传信号。这些发现为将来创建细胞计算机铺设了道路。研究成果发表于最新一期的《科学》（Science）。
“我们让一组天然蛋白质有了新的功能，”文章的通讯作者、助理教授德鲁•安迪（Drew Endy）对果壳网解释：“这些叫整合酶（Integrase）的蛋白质被用于对DNA上的RNA聚合酶实行数字控制。”这些整合酶的表达浓度将决定靶基因的转录过程。
转录器是基因逻辑电路的关键元件，文章的第一作者杰罗姆•博纳特（Jerome Bonnet）评论说：“这些电路是通用的，控制门电路的诱导信号可以是任何转录源——可以是葡萄糖，也可以是咖啡-因，等等。细胞收到的任何外界刺激都能得到检测。”博纳特告诉果壳网：“利用这种逻辑电路，你能够轻易判断哪些细胞受过刺激。”细胞甚至能按照指令发动或终止细胞繁殖。
“酶的选择非常重要，”博纳特还对果壳网说：“我们仔细挑选了在细菌、真菌、植物和动物中都能行使功能的酶，让生物计算机能被设置在各种生物中。”

转录器中执行异或门（XOR）的逻辑元件。两对可被整合酶识别的重组位点（蓝/橙，黑/白）夹在终止子两侧，这两对重组位点各自能被一种整合酶识别，元件通过4种不同的信号状态控制终止子的方向。如果两种整合酶都不表达，终止子将使转录停止；如果只有一种整合酶的表达达到阈值，终止子方向将翻转，转录继续进行；而如果两种整合酶的表达都达到阈值，终止子翻转两次，转录依然被阻断。来源：Bonnet et al.Science
去年，安迪的团队成功用DNA构建了可擦写数字信号存储器。随后，他们又开发出能在细胞间传递遗传信息的机制。现在，他们有具备类似晶体管及信号放大器功能的转录器——信息存储、信息传送、逻辑运算，这3种要素加起来，足以在活细胞内构建出生物计算机。
实际上，这3种功能的融合已经实现了。“我们的门电路应该能应用到所有类型的细胞，”安迪告诉果壳网：“生物计算机能够用于研究和改编生命系统、监控环境变化并且改善细胞治疗。” 和一些不公开的生物技术不同，研究团队将文章所述的所有知识向公众开放。“大多数生化技术还没有被想象出来，更别说将其实现了。博纳特说：“共享重要的基本工具才能让人们更好地合作。”