細胞就像是我們身體里的“小型計算機”一樣，每時每刻都在接收、處理和傳遞各種信息，并根據這些信號做出快速反應。如果我們能夠控制這些細胞，讓它們像計算機一樣進行復雜的運算和邏輯操作，會發(fā)生什么呢？

　　7月31日，浙江大學醫(yī)學院附屬第四醫(yī)院、浙江大學“一帶一路”國際醫(yī)學院、浙江大學國際健康醫(yī)學研究院再生與衰老醫(yī)學中心邵佳偉研究員團隊在國際頂級雜志《Cell》上發(fā)表了最新研究成果，首次提出利用“三態(tài)門”電路/邏輯來設計基因線路的策略(TriLoS)，為人體細胞編寫“代碼”，使其能夠開展智能生物計算和細胞療法。

　　為細胞設計“編程語言”

　　計算機之所以能實現復雜的運算，關鍵在于它們能根據“0”和“1”兩種電平狀態(tài)進行邏輯運算。類似地，細胞內的基因表達系統(tǒng)也有兩種狀態(tài)——基因表達(活躍)或不表達(非活躍)。于是，科學家們嘗試將電子工程中的“0/1”邏輯引入到生物細胞，讓細胞也能進行類似的邏輯運算。

　　比如，我們可以通過人工設計基因線路，將其作為“生物邏輯門”，使細胞能夠處理各種生物信號，最終實現諸如加法、減法等復雜的數字運算。這就好比給細胞“植入”了計算能力，使它們可以像計算機一樣執(zhí)行各種指令。

　　但是，由于哺乳動物細胞基因調控的高度復雜性，加上現有可用的人工基因線路還不夠成熟，以及缺乏完善的理論指導，哺乳動物細胞生物計算的發(fā)展極其困難。單細胞多層次復雜邏輯基因線路一直停滯于2012年的半加器和半減器。

　　為了突破上述的技術瓶頸并為復雜基因線路的設計和生物計算推出一套完整的理論體系，團隊首次提出了TriLoS設計原則，一種基于“三態(tài)門”電路的原理設計出來的基因線路編程策略，讓細胞編程有了合適的“語言”。

　　拓展細胞計算潛力

　　顧名思義，“三態(tài)門電路”有三種狀態(tài)，除了一般邏輯電路具有高(1)、低電平(0)兩種狀態(tài)外，還具有第三種高電阻(Z)狀態(tài)，該狀態(tài)由電路的上游輸入信號(B)控制。例如，當上游的控制信號打開時，下游就會根據輸入信號A產生0或1的輸出；但當控制信號關閉時，輸出就變成了高阻抗狀態(tài)Z，相當于一個“靜默”狀態(tài)。利用多重三態(tài)門構建復雜電路時，可以保證多模塊的靈活連接，同時確保信號傳遞的速度和效率。

　　研究人員發(fā)現，細胞基因的表達調控過程，也可以抽象成這種三態(tài)門的模式。比如，從DNA到最終蛋白質的整個過程，轉錄調控就相當于上游的控制信號，而翻譯調控就相當于下游的輸入輸出。通過巧妙地設計這些“生物三態(tài)門”，研究人員終于成功構建出了復雜的基因調控網絡，讓細胞具備了強大的計算能力。

　　有了這種“生物編程語言”，研究人員就可以像編寫電腦程序一樣，設計出各種定制化的“應用程序”，賦予細胞不同的計算功能，解決了現有研究中只能通過經驗來盲目設計和反復試錯的設計模式。比如，可以讓細胞具有加法器或減法器的運算能力，甚至還可以實現更加復雜的邏輯運算。這無疑大大拓展了細胞的計算潛力，為未來精準醫(yī)療帶來了新的希望。

　　讓細胞成為“智能醫(yī)生”

　　賦予細胞新的計算能力之后，研究人員進一步將其用于疾病的精準化治療。

　　我們知道，不同的代謝性疾病都有其特有的病情變化規(guī)律。團隊在成功突破單細胞計算極限的同時，進一步強化了以生物計算視角出發(fā)的疾病治療思維，即可以將不同代謝疾病的治療程序簡化成一種數學公式，然后通過TriLoS理論體系匹配出對應的細胞指令，開發(fā)治療程序(APP)，從而為多種代謝性疾病定制出智能化的細胞治療方案。

　　也就是說，未來我們可以讓細胞成為“智能醫(yī)生”，使其自主判斷疾病的發(fā)病類型，從而指導產生合適的治療蛋白，更加精準地實現疾病的分階段、分層次、定制化治療。

　　比如，研究人員將糖尿病根據其嚴重程度和發(fā)病機制人為區(qū)分成了肥胖、Ⅱ型糖尿病和Ⅰ型糖尿病三種狀態(tài)/類型，并根據每一類型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。相比于之前的方法，一種智能細胞一次只能治療一種狀態(tài)，而借助TriLoS實現的復雜細胞計算，可以在不更換植入智能細胞的情況下追蹤疾病狀態(tài)，調整生產治療藥物，實現精準治療。

　　“我們希望通過這項研究成果，將生物計算的理念應用于智能細胞的精準治療，利用可編程人體細胞對復雜疾病進行數字邏輯化的治療，從而讓疾病治療更加智能化、精準化和個性化�！鄙奂褌フf。