編輯 | 蘿蔔皮
細胞猶如一臺計算機，每時每秒都在接收、分析和處理來自環境中的不同資訊：外界資訊透過細胞內高度並行的訊號轉導途徑進行分析和處理，進而以預定義的方式從「儲存裝置」（即 DNA）中讀取資訊（基因的表達）或寫入指令（DNA 修飾和編輯），指導自身或周圍細胞對環境資訊做出響應。
一直以來，如何有效利用生物體本身的計算能力，透過對生物體進行改造使之能夠執行人類給定的計算任務，並由此開發出基於生物系統的新概念計算機都是電腦科學與生物技術領域交叉融合的熱點問題。
近期，來自國防科技大學、西湖大學、浙江大學和之江實驗室的研究人員合作提出了名為 TriLoS 的設計方法，透過多層基因表達調控網路在細胞內實現了組合邏輯線路的高效設計與構建，使得以模組化的方式開發執行組合邏輯運算的生物計算元器件成為了可能。
該研究以「Multi-layered computational gene networks by engineered tristate logics」為題，於 2024 年 7 月 31 日在《Cell》雜誌線上發表。
向細胞自身學習設計細胞的邏輯單元
細胞內單個基因的表達可以被理解為處於活躍（即被表達）或非活躍（即不表達）兩種狀態之一，這使得我們可以從基因表達中抽象出「開/關」或者「0/1」的概念。
從這種角度來看，細胞可以被理解為一個由組合邏輯和時序邏輯構成的數位電路，而設計和改造這一電路的基礎自然就是創造出適用於細胞的「電晶體」、「邏輯門」。
自本世紀初起，合成生物學家一直在嘗試透過設計控制基因表達的人工基因線路來開發具有邏輯計算功能的生物元器件。
但由於缺乏理論體系指導、細胞基因調控本身的複雜性和可用基因調控手段的不足，現有的元器件設計很大程度上仍然依賴於設計者的經驗和反覆試錯，嚴重製約了該領域的發展。
該研究透過分析細胞內基因表達調控的層次結構發現，細胞內基因表達受到轉錄、翻譯等不同層次調控，這一調控過程的基本單元可以被抽象為類似於電子電路中三態門的結構。
例如，在 DNA 經轉錄、翻譯到最終生成蛋白的過程中，轉錄調控（B）可以視作翻譯調控（A）的上游控制通路。轉錄調控的開或關將會使得翻譯調控系統最終的產生三種狀態：0（關）、1（開） 或者 Z（高阻態，即翻譯系統相關調控元件不發生轉錄）。
研究人員意識到，這樣的三態門結構可以作為構建多層基因表達調控網路的基本邏輯單元，透過多層三態門單元的組裝實現對細胞內 DNA 編輯、轉錄、翻譯等不同層次調控過程的充分利用，從而構建更加複雜和魯棒的組合邏輯器件（圖 1）。
在這一思想的指導下，研究人員開始嘗試在哺乳動物細胞中利用轉錄和翻譯過程實現「三態門」基因電路。
透過將 Vanillic acid（VA，輸入 B）調控的轉錄調控開關作為「上游」基因開關控制 Grazoprevir（Gra，輸入 A）調控的蛋白質翻譯開關，研究人員成功構建出了 BUFIF1、NOTIF1、BUFIF0 和 NOTIF0 四種基本邏輯單元，並在細胞中展現出了良好的效能（圖 2）。
與傳統的邏輯基因線路設計方式相比，以「三態門」為基礎邏輯單元的設計方式展現出了更強的模組化特徵和更好的可擴充性，例如，對於一直困擾合成生物學家的異或邏輯（XOR），研究人員透過簡單組合 NOTIF1 和 BUFIF0 便可高效實現（圖 3）。
這一被命名為 TriLoS 的思想顯著提高了哺乳動物細胞的「可編輯空間」，為更高效的設計生物計算元器件、突破細胞計算極限打下了堅實的基礎。
基於標準邏輯單元設計和組裝生物計算元器件
在構建標準邏輯單元的基礎上，該研究進一步闡明瞭利用標準邏輯單元構建複雜組合邏輯器件的工程原則。
與電子電路設計中不同的電子線路之間嚴格絕緣所不同的是，細胞內的調控過程存在著各類複雜的相互作用，存在著各類絕緣性問題，明確各邏輯單元之間的正交性約束是設計生物計算元器件的特別之處。
針對這一問題，該研究從擴充輸出訊號數量和擴充輸入訊號數量兩個角度出發對多層基因計算網路設計過程中的正交性約束進行了詳細討論。
在輸出訊號數量擴充方面，研究人員分析提出，控制不同輸出訊號的多層基因調控網路必須選擇相互正交/絕緣的最底層調控元件，而較高層的調控過程則可以共享調控元件。
為滿足這一約束，研究人員設計了另一組完全正交的 Grazoprevir 調控開關。該設計將受 Grazoprevir 誘導的二聚或互斥的基因元件 NS3a(H1)/GNCR1（二聚） 或者 ANR/GNCR1（互斥） 接入到人工合成的GEMS基因調控框架中。Gra 的存在會促使作為受體的膜外訊號接收部分相互親和或者排斥，從而透過胞內 JAK/STAT3 訊號通路，控制外源基因開關的開或者關。
資料表明，將這一開關與 Vanillic acid 調控的轉錄調控開關組合同樣可以構建出在細胞中穩定執行的基本邏輯單元，並可透過 TriLoS 設計和構建具有兩個輸出的半加器和半減器邏輯器件（圖 4）。
在輸入訊號數量的擴充方面，研究人員則將視線轉向了在轉錄調控上游的基因表達調控方式，提出了利用與下游訊號正交的輸入訊號調控基因編輯、染色質可及性等方法擴充輸入訊號的數量。
為展示這一思想的可行性，研究人員利用控制基因重組過程的 Cre 重組酶作為第三個輸入，構建了具有基因序列調控、轉錄調控和翻譯調控三層調控結構的基因調控網路，便捷地實現了具有 3 輸入 2 輸出的全加器和全減器（圖 5）。
這一結果成功突破了單細胞全加器和全減器構建這一邏輯基因線路設計的「天花板」，進一步體現了 TriLoS 在構建複雜邏輯計算網路過程中的高效性和有效性。
探索生物計算的無限可能
自生物計算的概念被提出以來，科學家們致力於尋找展現生物計算系統優勢的應用場景， 「生物計算究竟有什麼用？」值得思考。
在本研究中，研究人員針對這一問題給出了自己的答案，即在疾病精準治療等場景下利用細胞計算開發集診斷、治療為一身的「智慧細胞」，使其自主判斷疾病的發病型別，從而指導產生合適的治療蛋白，更加精準的實現疾病的分階段、分層次、定製化治療。
該研究以糖尿病為例展示了一種潛在的生物計算應用場景。為簡單起見，研究人員將糖尿病根據其嚴重程度和發病機制人為區分成了肥胖、2 型糖尿病和 1 型糖尿病三種狀態/型別，並根據每一型別的特點制定了使用兩種治療藥物胰高血糖素樣肽 1（GLP-1）或胰島素（INS）的治療方案。
研究人員藉助 TriLoS 開發了可針對不同輸入給出不同治療藥物組合的「智慧細胞」，可以在不更換植入細胞的情況下根據疾病狀態調整生產治療藥物，在細胞和小鼠體內都實現了疾病的自適應精準治療（圖 6）。
該研究首次提出了以基因電路「三態門」為基礎邏輯單元的多層細胞計算網路設計策略（TriLoS），為更復雜的細胞計算器件設計提供了基礎性理論，一定程度上解決了現有研究中只能透過經驗來盲目設計和反覆試錯的設計模式，也為開發自動化設計工具打下了堅實基礎。
本研究由國防科技大學與西湖大學、浙江大學、之江實驗室合作完成，其中浙江大學邵佳偉研究員，國防科技大學邱鑫源助理研究員，西湖大學博士研究生/前之江實驗室工程專員張力航為該論文的共同第一作者；浙江大學邵佳偉研究員、國防科技大學朱凌雲教授、之江實驗室王慧研究專家和西湖大學解明岐研究員為共同通訊作者。
注：封面由 Midjourney 生成。