科學家成功研製RNA分子生物計算機
據英國《新科學家》雜誌報道,隨著計算機發展的日新月異,研製運行速度更快的計算機已成為一種定式,但是目前科學家最新研製的生物計算機卻能夠在活酵母細胞中進行計算處理。
未來計算機將採取類似DNA的RNA分子作為生物計算機,實現傳統電子計算機所具有的信息運行和處理。在上世紀90年代末,研究人員成功地建造由一組DNA分子構成的DNA分子計算機,能夠處理簡單的數學計算。據稱,DNA分子計算機曾成功地運行了3D井字遊戲(tic-tac-toe),但是它並不能像傳統電子計算機那樣實現高速數字計算能力。這種分子計算機最顯著的特徵是在生物系統內進行信息運行和計算。
目前,美國加州理工學院已研製出一種RNA計算機,它是最先進的生物計算機,克裡斯蒂娜·斯默克(Christina Smolke)建立了一個RNA分子裝置實現邏輯門的功能,邏輯門是電子計算機的運算基礎。
這款最新RNA分子計算機處理輸入信息是自然細胞蛋白質形式,生成的輸出信息是綠色螢光蛋白質(GFP)。該計算機的核心是核酶(ribozyme)——能夠催化改變其他分子的短結構RNA分子。當核酶附加在RNA序列上,RNA細胞便能夠轉換成為綠色螢光蛋白質,第三個RNA分子對核酶而言充當著「扳機引擎」的作用。
這種「扳機引擎」RNA分子可用於設計約束細胞內像蛋白質或抗生素等特殊的分子結構,當它運行時,具有催化劑作用的核酶能夠摧毀綠色螢光蛋白質序列,避免細胞形成任何類型的發光蛋白質。
整個分子計算機實現的是一個「非」邏輯門:當一個輸入蛋白質生成綠色螢光蛋白質時表現出停止;使用兩個「扳機引擎」RNA分子可生成「與非」邏輯門,輸出的狀態依賴於兩種輸入蛋白質是否存在。克裡斯蒂娜稱,多樣化「與非」邏輯門可用於運行其他的邏輯操作,這種RNA分子計算機能夠執行實現普通的計算機運算。
這支加州理工學院的研究小組認為,未來能夠將這種生物分子計算機植入哺乳動物或細菌細胞中,相應的邏輯門能表現出更複雜的運算能力。這將潛在地為研究和治療生物系統帶來希望。
2004年,一項試管實驗示範了一個DNA分子「計算機醫生」是如何工作的,魏茲曼科學協會的埃霍德·夏皮羅(Ehud Shapiro)建立了一個生物系統,能夠探測到攝護腺癌生物分子,並釋放一種抗癌藥物。使用一串邏輯門運算,一個類似的計算系統可以結合幾種不同生物標記的信號,從而生成更複雜化學反應。
哈佛大學的考比·本尼遜(Kobi Benenson)說,「這是合成生物學和活生物分子計算機領域向前邁進的重要一步。」據悉,2007年,本尼遜帶領的一支研究小組首次將一個計算裝置植入細胞中,該生物計算系統需要人造DNA鏈作為輸入信號,然而加州理工學院最新研製的RNA分子計算機則使用自然細胞分子作為輸入信號。