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Science重大突破:用生物“計算機”摧毀癌細胞

日期:2011-09-06 13:01:38

近日來自哈佛大學、麻省理工學院以及瑞士蘇黎世聯(lián)邦高等工業(yè)學院的研究人員在新研究中成功地將生物計算機診斷網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入到人類細胞中,這種生物網(wǎng)絡(luò)通過對5種腫瘤特異性分子進行邏輯組合分析識別出了特異的癌細胞,并觸發(fā)了這些癌細胞的毀滅過程。這一研究成果在線發(fā)表在92日的《科學》(Science)雜志上。

文章的通訊作者是哈佛大學系統(tǒng)生物學中心的生物工程學家Yaakov Benenson及麻省理工大學的Ron Weiss教授。Benenson長期致力于開發(fā)在活體細胞內(nèi)運作的生物計算機。

生物計算機是一種完全由DNARNA及蛋白質(zhì)構(gòu)成的分子自動機(molecular automata),它們的輸入是細胞質(zhì)中的RNA、蛋白質(zhì)以及其他化學物質(zhì),輸出的則是很容易辨別的分子信號。由于生物計算機能夠探測和監(jiān)控基因突變等細胞內(nèi)一切活動的特征信息,因此它們可以確定癌細胞等病變細胞。此外,它們還能夠自動激發(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)學的重大變革——明確地對人體病變細胞或組織進行治療,而健康的細胞完全不會受到干擾。不過,要最終實現(xiàn)這一目標,還有很長的路要走。科學家近期進行的一些相關(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算機。

在這篇文章中,研究人員成功構(gòu)建了一個多基因合成電路,此電路負責鑒別腫瘤細胞與正常細胞,進而靶向性摧毀識別的腫瘤細胞。其具體工作原理是:對細胞內(nèi)5種腫瘤特異性分子及出現(xiàn)頻率進行抽樣及綜合分析。是由當5種因子同時在細胞內(nèi)出現(xiàn)時,該電路才做出正識別響應(yīng)。這使得腫瘤檢測的精確性大大增高。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)。

隨后科學家們用這一多基因合成網(wǎng)絡(luò)對實驗室中培養(yǎng)的兩種人類細胞Hela細胞(一種子宮頸癌細胞)和正常細胞進行了檢測。當遺傳生物計算機被導(dǎo)入到這兩種不同的細胞類型中時,只有Hela細胞被摧毀,而正常細胞則安然無恙。

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及同時首先針對正常健康細胞和Hela細胞中的miRNA分子進行了高通量篩查,最終確定了能將Hela細胞從健康細胞中鑒別出的5種特定的miRNA組合。

    這些miRNA分子被導(dǎo)入到細胞中進行檢測。新型的生物計算機利用諸如的邏輯運算對這五種miRNA分子進行組合。只有當對所有分子的整體運算結(jié)果為邏輯時才會生成需要的結(jié)果——即促使細胞死亡,”Benenson說。

目前研究人員已確定這一生物計算機網(wǎng)絡(luò)在活細胞中能夠非常穩(wěn)定地工作,準確組合所有細胞內(nèi)因子并生成正確答案,這代表著研究者們在該領(lǐng)域又向前邁進了重要的一步。

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