就像我们在阅读本文时使用的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任务。一旦技术完全成熟，由DNA制成的微型生物计算机可能会彻底改变一系列人类疾病的诊断和治疗。然而，这些在细胞和液体溶液中运行的基于DNA的设备的一个主要障碍是它们的寿命很短并且只能使用一次。美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员已经开发出可以在细胞内持续存在的新型长寿命生物计算机。在《科学进展》期刊上发表的一篇论文中，研究人员放弃了传统的基于DNA的方法，转而选择使用RNA来构建生物计算机。结果表明，RNA电路与其基于DNA的电路一样可靠和通用。更重要的是，活细胞能够不断地创造这些RNA电路元件，这是DNA电路不容易实现的。这一结果进一步将RNA电路定位为功能强大、可持续的生物计算机的潜在候选者。“与计算机的不同之处在于，你编写的不是1和0的代码，而是A、T、C和G的字符串，它们是DNA的基石，”NIST的博士后研究员和作者SamuelSchaffter说。研究。四种化学碱基。”通过将特定的碱基序列组装成一条核酸链，研究人员可以确定它与什么结合。因此，可以设计一条核酸链以连接特定的DNA、RNA或与疾病相关的蛋白质，然后触发与同一电路中其他链的化学反应以处理化学信息并最终产生一些有用的输出。该输出可以是有助于医学诊断的可检测信号，或治疗疾病的治疗药物。（来源:MIT)然而，DNA并不是最稳定的物质，在某些条件下会迅速分解。细胞内的环境也很恶劣，通常含有会破坏核酸的蛋白质。即使DNA序列存在足够长的时间来完成其程序目标，它们执行操作形成的化学键将使它们在之后变得无用。“他们不能做像持续监测基因表达这样的事情。这是一次性使用，”Schaffter说。作为一种核酸，RNA与DNA存在许多相同的问题。它们都很容易降解。在一条链与目标分子化学结合后，这条链的使命是完成。但与DNA不同，RNA在某些条件下是可再生资源。为了利用这一点，Schaffter和他的同事首先需要证明细胞理论上可以无限产生的RNA电路可以像基于DNA的电路一样在计算上发挥作用。事实上，RNA的再生优势源于一种称为转录的细胞过程，即细胞以DNA为模板不断产生RNA。如果细胞基因组中的DNA编码生物计算机中的电路元件，那么该细胞将不断地产生计算机元件。图|细胞作为生物计算机工厂（来源：NIST）此外，电路中的单链核酸在生物计算过程中很容易与同一电路中的其他链结合，这也是电路元件与其预期目标结合的一大障碍.为了防止不希望的组合，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，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打开。Schaffter和NIST细胞工程组负责人、该研究论文的合著者ElizabethStrychalski试图在他们的RNA电路中模拟这种“锁门”功能。为此，研究人员对序列进行了编程，使一半的链可以与另一半齐平结合。通过这种方式，RNA序列像热狗面包一样折叠起来，将它们锁定。但要正常工作，门需要两条不同的链条进行化学结合，更像是汉堡或三明治，而不是热狗面包。因此，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。这种取自肝炎病毒基因组的特殊核酶在插入折叠的RNA链后将自身切割成两条独立的链。接下来，研究人员测试了他们的电路是否可以执行基本的逻辑运算，例如仅在特定情况下解锁他们的门，以及两个特定RNA序列中的一个或两个的存在是否可以打开门。他们还构建并检查了由多个串联连接的门组成的电路，以执行不同的逻辑运算。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被一一打开。图|RNA电路门可以协同工作以完成复杂的操作，例如当一个门打开时，它会释放一条RNA链，该RNA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片段并测量输出电路。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，并将他们的测量结果与计算机模型的预测进行了比较。“对我来说，RNA电路需要像试管中的DNA计算一样具有预测性。DNA电路的好处在于，大多数时候，你只需在一张纸上写下一个序列，它就会按照你的意愿行事。”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的相似性，并建议切换到后者可能是有益的，因为RNA可以转录以补充电路的组件。对于许多已经开发的现有DNA电路，它们可以换成RNA版本并以相同的方式发挥作用以完成各种任务。但是，研究人员尚未使用实际的细胞转录机制。研究人员说，这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：我们能否使用我们的策略将电路设计封装到遗传材料中？当电路位于电池内部时，我们能否实现相同的性能和行为？我们认为它有潜力。”
