近日，位于荷蘭南部的埃因霍芬理工大學(xué)（Eindhoven University of Technology，TU/e）的研究者們展示了一種新的方法，利用DNA計(jì)算機(jī)使受控藥物（controlled drug）進(jìn)入血液。這項(xiàng)研究被發(fā)表在2月17日的《自然—通訊》（Nature Communications）期刊上。

隨著基因測序技術(shù)的不斷發(fā)展，它被廣泛應(yīng)用于診斷和治療罕見病、簡單遺傳疾病和癌癥等疾病。不過，以編碼的DNA序列為運(yùn)算對象建立的一種信息技術(shù)形式開發(fā)而出的DNA計(jì)算機(jī)，具有實(shí)時(shí)探測和監(jiān)控基因突變等細(xì)胞內(nèi)一切活動的特征信息，確定癌細(xì)胞等病變細(xì)胞以及自動激發(fā)微小劑量的治療效果 。

DNA作為計(jì)算機(jī)的芯片技術(shù)，使藥物在血液輸送

據(jù)悉，這項(xiàng)研究由該校由生物醫(yī)學(xué)工程師Maarten Merkx教授領(lǐng)銜，成功開發(fā)出了首款能夠檢測血液中多種抗體、并基于檢測結(jié)果執(zhí)行后續(xù)程序的DNA計(jì)算機(jī)。研究者表示，這是“智能藥物”開發(fā)的重要一步，可開發(fā)出副作用更少、成本更低、效果更好的風(fēng)濕病（rheumatism）和克羅恩?。–rohn）藥物。

會思考的“安全系統(tǒng)”

抗體模板鏈交換機(jī)：允許從抗體到DNA的翻譯

由埃因霍芬理工大學(xué)研究人員提出的方法的類似一個(gè)安全系統(tǒng)（security system），是否打開門取決于站在它前面的人：如果攝像頭能夠識別該人，門可以打開，如果不能識別，門則會鎖著。

在Maarten Merkx教授看來，過往的診斷試驗(yàn)研究側(cè)重于認(rèn)知（recognition）；而該系統(tǒng)的特點(diǎn)是它可以思考（think），根據(jù)思考結(jié)果連接到藥物輸送等驅(qū)動。

DNA計(jì)算機(jī)的發(fā)展

基于數(shù)據(jù)的非線性最小二乘法，構(gòu)建模擬反應(yīng)動力學(xué)的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)模型

與傳統(tǒng)的基因測序儀相比，DNA計(jì)算機(jī)要執(zhí)行“思考”動作，“智能”是必要的。目前傳統(tǒng)的生物學(xué)研究僅僅認(rèn)知到DNA是一種遺傳信息載體，事實(shí)上DNA也非常適合進(jìn)行分子計(jì)算。DNA的序列決定了它可以與其他DNA產(chǎn)生反應(yīng)，而研究者能夠編程其中的反應(yīng)電路。

早在1994年，美國計(jì)算機(jī)科學(xué)家Leonard M. Adleman就用DNA方式，解決了一個(gè)非常著名問題——哈密爾敦直接路徑問題（俗稱“售貨員旅游問題”）。他巧妙地利用DNA單鏈代表每座城市及城市之間的道路，并為順序編碼；這樣，每條道路“粘性的兩端”就會根據(jù)DNA組合的生物化學(xué)規(guī)則與兩座正確的城市相連。然后，他在試管中把這些DNA鏈的副本混合起來，它們以各種可能組合連接在一起，經(jīng)過一定時(shí)間的一系列的生化反應(yīng)，找出了解決問題的唯一答案。

到了2011年，科學(xué)家更是利用細(xì)菌和DNA成功建造數(shù)字設(shè)備微處理器的基本構(gòu)建模塊——生物邏輯門，并被認(rèn)為是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的“生物電路”，離創(chuàng)造出“活體電腦”再近一步。

如今，科學(xué)家更是利用DNA開發(fā)出“能檢測”、“會思考”的智能DNA計(jì)算機(jī)設(shè)備，使得開發(fā)個(gè)性化的“智能藥物”將成現(xiàn)實(shí)。

智能DNA計(jì)算機(jī)的三大核心

抗體模板鏈交換機(jī)：允許抗體控制DNA酶的活性

1）抗體檢測

眾所周知，在診斷一個(gè)人是否患有某種疾病之前，必須測量體內(nèi)特定抗體（免疫球蛋白）的濃度。

然而傳統(tǒng)DNA計(jì)算機(jī)的輸入（input ）通常由其他DNA和RNA分子組成，這使得其在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面受到了極大限制。

為此，Maarten Merkx教授和同事們開發(fā)出了能夠連接抗體的DNA計(jì)算機(jī)，據(jù)悉這也是該領(lǐng)域的首臺機(jī)器。

2）藥物輸送

研究者通過“抗體模板鏈交換機(jī)”（Antibody-Templated Strand Exchange ），使得每個(gè)抗體可以轉(zhuǎn)化為能夠被DNA計(jì)算機(jī)識別的獨(dú)特DNA片段。DNA計(jì)算機(jī)根據(jù)識別結(jié)果決定是否需要進(jìn)行藥物輸送。

文章的第一作者Wouter Engelen博士后解釋說，特定的DNA分子片段開啟了一系列的反應(yīng)，使得DNA計(jì)算機(jī)有條不紊地運(yùn)行各種程序。目前的研究結(jié)果已經(jīng)證實(shí)他們開發(fā)出的DNA計(jì)算機(jī)可以控制酶的活性，而酶與抗體同屬于蛋白質(zhì)，所以他們認(rèn)為該設(shè)備有望控制治療性抗體的活性。

3）藥物治療

在治療風(fēng)濕病、克羅恩病病等慢性疾病過程中，治療性抗體是一種有效的藥物（生物制品）。Maarten Merkx教授認(rèn)為該系統(tǒng)的潛在應(yīng)用之一是測量血液中治療性抗體的數(shù)量，并決定是否有必要補(bǔ)充額外藥物。在他看來，該方法在治療過程中直接連接抗體檢測，能夠有效防止副作用并降低用藥成本。

展望：人體有望成為DNA計(jì)算機(jī)

DNA計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)前世界許多國家科研人員研究的熱點(diǎn)之一，未來的DNA計(jì)算機(jī)在研究邏輯、破譯密碼、基因編程、疑難病癥防治以及航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用的獨(dú)特優(yōu)勢， 現(xiàn)在電子計(jì)算機(jī)是望塵莫及，應(yīng)用前景十分樂觀。

去年9月，微軟宣布了一項(xiàng)宏偉的計(jì)劃——開發(fā)出能夠進(jìn)入人體并可以運(yùn)行的“迷你DNA計(jì)算機(jī)”，監(jiān)視癌細(xì)胞并且重新編碼這些癌細(xì)胞，讓癌細(xì)胞轉(zhuǎn)化為健康細(xì)胞，希望在10年之內(nèi)解決癌癥。

基因編輯領(lǐng)域?qū)W者、斯坦福大學(xué)生物工程系和化學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)系助理教授亓磊近期也表示：CRISPR基因編輯有望讓人體成為一臺基因可被讀取、預(yù)測和改寫的“DNA計(jì)算機(jī)”，它不僅能夠充當(dāng)監(jiān)控設(shè)備，發(fā)現(xiàn)潛在的致病變化；還可以在人體內(nèi)合成所需的藥物，治療癌癥、心臟病、動脈硬化等各種疑難病癥；甚至在恢復(fù)盲人視覺方面，也將大顯身手。