DNA計算機有望成為“配藥師”

與傳統(tǒng)的基因測序儀相比，DNA計算機要執(zhí)行"思考"動作，"智能"是必要的。"抗體模板鏈交換"途徑，使抗體作為輸入信號來進行DNA計算，抗體成為輸入信號使得DNA計算能夠用于基于抗體疾病的診斷，同時會得到比傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)檢驗更多的關(guān)于抗體的信息。

近日，荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)的研究團隊開發(fā)出全球首個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計算機，利用該DNA計算機可以使受控藥物進入血液。日前，該研究已發(fā)表于《自然-通訊》期刊上。

研究人員通過"抗體模板鏈交換機"使得每個抗體可以轉(zhuǎn)化為能夠被DNA計算機識別的獨特DNA片段，DNA計算機根據(jù)識別結(jié)果決定是否需要進行藥物輸送。

對于這種"能檢測""會思考"的智能DNA計算機，項目負責(zé)人、埃因霍芬理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程師馬騰·默克表示，這是"智能藥物"開發(fā)的重要一步，利用這種"配藥"新方法，未來可開發(fā)出副作用更少、成本更低、效果更好的風(fēng)濕病及克羅恩病藥物。

雖然，該項研究有望使得 "智能藥物"個性化成為現(xiàn)實，也有專家認為它還會給"人機合一"帶來極大的希望，但就目前研究來看，仍有許多問題值得商榷。

會思考的"安全系統(tǒng)"

新方法類似一個安全系統(tǒng)，是否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，門則會鎖上。在默克看來，之前的診斷試驗研究側(cè)重于認知，而該系統(tǒng)的特點是可以思考，會根據(jù)思考結(jié)果連接到藥物輸送等驅(qū)動。

"該項研究使DNA計算邁出巨大一步，主要表現(xiàn)在提高醫(yī)學(xué)檢測準確率、擴大DNA 計算適用性范圍。"南京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授朱海亮評價道。

與傳統(tǒng)的基因測序儀相比，DNA計算機要執(zhí)行"思考"動作，"智能"是必要的。朱海亮表示，傳統(tǒng)DNA計算機絕大多數(shù)是依賴于RNA或DNA片段的輸入，從而得到所需要的分子信號，這極大限制了DNA計算在諸如生物合成、生物醫(yī)學(xué)和分子診斷等方面的使用。而默克團隊創(chuàng)造性地通過"抗體模板鏈交換"途徑，使抗體作為輸入信號來進行DNA計算，抗體成為輸入信號使得DNA計算能夠用于基于抗體疾病的診斷，同時會得到比傳統(tǒng)的醫(yī)學(xué)檢驗更多的關(guān)于抗體的信息。

另外，此項研究中的邏輯門和多元化檢測，也使得DNA計算機比傳統(tǒng)DNA計算機能夠運用更多的信息，如閾值、信號擴大、反饋和信號調(diào)整等。"比起傳統(tǒng)DNA計算機，由于抗體與靶蛋白具有高親和力和特異性，各種生物標志都能成為抗體模板鏈交換DNA計算機的輸入信號，使得可輸入性數(shù)據(jù)得到了極大的提高，實際運用能力也得到了極大的加強。"朱海亮說。

"智能藥物"前景誘人

當前，智能藥物的研究非?；馃?，2015年，美國食品藥品監(jiān)督管理局首次批準將Abilify（這種藥物能夠治療精神分裂癥、躁狂抑郁性精神病以及抑郁癥）和一種能在病人服用藥物后進行追蹤的傳感器結(jié)合在一起，目的是通過體內(nèi)的傳感器來顯示藥物的服用情況以及治療效果。

朱海亮表示，上述將傳感器與藥物結(jié)合在一起的做法，只是完成了藥物治療、結(jié)果反饋這一方向的智能化，而DNA 計算機則可以完成從抗體檢測到藥物輸送再到藥物治療這三個方向的智能化，使得患者可以通過DNA計算機進行自主的藥物治療。

例如，風(fēng)濕病、克羅恩病等慢性疾病，往往需要長期服用治療性抗體，可服用這類藥物時間越長，毒性就越明顯。所以，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)在治療此類慢性疾病時就會出現(xiàn)"怕吃藥，還不得不吃藥"的矛盾心理。而通過DNA計算機測量血液中的治療性抗體的數(shù)量，再通過治療性抗體數(shù)量的變化來精確藥物的定量過程，就可以完美地解決這一棘手問題。

然而，傳統(tǒng)的藥物開發(fā)仍然是不可替代的，尤其是化學(xué)藥物的開發(fā)，其基于治療靶點進行藥物的研制是"智能藥物"所達不到的。不過，朱海亮表示，化學(xué)藥物可以通過DNA計算機來檢測治療效果和精確定量，從而實現(xiàn)智能化；而在生物藥物--治療性抗體研制方面，DNA 計算機可以通過血液中的抗體檢測來明確治療性抗體的治療效果，從而實現(xiàn)個性化與智能化。

多種問題仍須完善

但是，基于抗體的DNA 計算機還不夠完善。"眾所周知，分子生物學(xué)反應(yīng)過程中易發(fā)生損傷和變質(zhì)，倘若增加樣品數(shù)量，尤其是增加抗體的數(shù)量，'抗體模板鏈交換機'是否還能準確無誤地進行抗體到DNA分子的翻譯？DNA 計算機是否還能夠準確地進行數(shù)據(jù)輸送？這都是值得商榷的。"朱海亮分析道。

如今，基于DNA 數(shù)據(jù)的分析已經(jīng)研究了近 20 年，而基于抗體數(shù)據(jù)的研究才剛剛開始，其在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用前景十分誘人。所以，朱海亮認為，DNA計算機在研究過程中尤其要注意"抗體模板鏈交換機"的準確性--是否能夠準確地進行抗體到DNA 的翻譯，以及如何準確反應(yīng)體內(nèi)特定抗體濃度的微小變化，這些都是以后研究的主要突破點。

未來，DNA計算機在研究邏輯、破譯密碼、基因編程、疑難病癥防治以及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用都具有獨特的優(yōu)勢，現(xiàn)在電子計算機望塵莫及。更為期待的是，人體也有望成為DNA計算機。

去年9月，微軟就宣布了一項宏偉的計劃--開發(fā)出能夠進入人體并可以運行的"迷你DNA計算機"，監(jiān)視癌細胞并且重新編碼這些癌細胞，讓癌細胞轉(zhuǎn)化為健康細胞，希望在10年之內(nèi)解決癌癥。

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計算機"，它不僅能夠充當監(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。

在朱海亮看來，鑒于DNA 計算機迅捷的處理速度、極低的能耗和巨大的存儲量，將DNA 計算機植入人體是完全可以想象的。因為大腦本身就是一臺自然的DNA計算機，只要有一個接口，DNA計算機就可以通過接口直接接受人腦的指揮，成為人腦的外延或擴充部分，而且它以從人體細胞吸收營養(yǎng)的方式來補充能量，不用外界的能量供應(yīng)。

但是，"人機合一"現(xiàn)在還只存在于理論層面。"首先，我們不能確保DNA計算機在人體內(nèi)準確無誤地開展工作。其次，植入人體的DNA計算機是否會對人體產(chǎn)生排異反應(yīng)還未可估量。最后，實時監(jiān)控、原位修復(fù)疾病技術(shù)還需要大量的臨床試驗去檢驗、完善。"朱海亮說。

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