隨著(zhù)基因測序技術(shù)的不斷發(fā)展，它被廣泛應用于診斷和治療罕見(jiàn)病、簡(jiǎn)單遺傳疾病和癌癥等疾病。不過(guò)，以編碼的DNA序列為運算對象建立的一種信息技術(shù)形式開(kāi)發(fā)而出的DNA計算機，具有實(shí)時(shí)探測和監控基因突變等細胞內一切活動(dòng)的特征信息，確定癌細胞等病變細胞以及自動(dòng)激發(fā)微小劑量的治療效果 。

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計算機使受控藥物（controlled drug）進(jìn)入血液。這項研究被發(fā)表在2月17日的《自然—通訊》（Nature Communications）期刊上。

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DNA作為計算機的芯片技術(shù)，使藥物在血液輸送

據悉，這項研究由該校由生物醫學(xué)工程師Maarten Merkx教授，成功開(kāi)發(fā)出了首款能夠檢測血液中多種抗體、并基于檢測結果執行后續程序的DNA計算機。研究者表示，這是“智能藥物”開(kāi)發(fā)的重要一步，可開(kāi)發(fā)出副作用更少、成本更低、效果更好的風(fēng)濕?。╮heumatism）和克羅恩?。–rohn）藥物。

會(huì )思考的“安全系統”

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抗體模板鏈交換機：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(lèi)似一個(gè)安全系統（security system），是否打開(kāi)門(mén)取決于站在它前面的人：如果攝像頭能夠識別該人，門(mén)可以打開(kāi)，如果不能識別，門(mén)則會(huì )鎖著(zhù)。

在Maarten Merkx教授看來(lái)，過(guò)往的診斷試驗研究側重于認知（recognition）；而該系統的特點(diǎn)是它可以思考（think），根據思考結果連接到藥物輸送等驅動(dòng)。

DNA計算機的發(fā)展

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基于數據的非線(xiàn)性小二乘法，構建模擬反應動(dòng)力學(xué)的自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)模型

與傳統的基因測序儀相比，DNA計算機要執行“思考”動(dòng)作，“智能”是必要的。目前傳統的生物學(xué)研究?jì)H僅認知到DNA是一種遺傳信息載體，事實(shí)上DNA也非常適合進(jìn)行分子計算。DNA的序列決定了它可以與其他DNA產(chǎn)生反應，而研究者能夠編程其中的反應電路。

早在1994年，美國計算機科學(xué)家Leonard M. Adleman就用DNA方式，解決了一個(gè)非常著(zhù)名問(wèn)題——哈密爾敦直接路徑問(wèn)題（俗稱(chēng)“售貨員旅游問(wèn)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(huì )根據DNA組合的生物化學(xué)規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(lái)，它們以各種可能組合連接在一起，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的一系列的生化反應，找出了解決問(wèn)題的答案。

到了2011年，科學(xué)家更是利用細菌和DNA成功建造數字設備微處理器的基本構建模塊——生物邏輯門(mén)，并被認為是當時(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(kāi)發(fā)出“能檢測”、“會(huì )思考”的智能DNA計算機設備，使得開(kāi)發(fā)個(gè)性化的“智能藥物”將成現實(shí)。

智能DNA計算機的三大核心

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抗體模板鏈交換機：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，須測量體內特定抗體（免疫球蛋白）的濃度。

然而傳統DNA計算機的輸入（input ）通常由其他DNA和RNA分子組成，這使得其在生物醫學(xué)應用方面受到了極大限制。

為此，Maarten Merkx教授和同事們開(kāi)發(fā)出了能夠連接抗體的DNA計算機，據悉這也是該領(lǐng)域的首臺機器。

2）藥物輸送

研究者通過(guò)“抗體模板鏈交換機”（Antibody-Templated Strand Exchange ），使得每個(gè)抗體可以轉化為能夠被DNA計算機識別的獨特DNA片段。DNA計算機根據識別結果決定是否需要進(jìn)行藥物輸送。

文章的作者Wouter Engelen博士后解釋說(shuō)，特定的DNA分子片段開(kāi)啟了一系列的反應，使得DNA計算機有條不紊地運行各種程序。目前的研究結果已經(jīng)證實(shí)他們開(kāi)發(fā)出的DNA計算機可以控制酶的活性，而酶與抗體同屬于蛋白質(zhì)，所以他們認為該設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(guò)程中，治療性抗體是一種有效的藥物（生物制品）。Maarten Merkx教授認為該系統的潛在應用之一是測量血液中治療性抗體的數量，并決定是否有必要補充額外藥物。在他看來(lái)，該方法在治療過(guò)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計算機

DNA計算機已經(jīng)成為當前世界許多國家科研人員研究的熱點(diǎn)之一，未來(lái)的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)域應用的獨特優(yōu)勢， 現在電子計算機是望塵莫及，應用前景十分樂(lè )觀(guān)。

去年9月，微軟宣布了一項宏偉的計劃——開(kāi)發(fā)出能夠進(jìn)入人體并可以運行的“迷你DNA計算機”，監視癌細胞并且重新編碼這些癌細胞，讓癌細胞轉化為健康細胞，希望在10年之內解決癌癥。

基因編輯領(lǐng)域學(xué)者、斯坦福大學(xué)生物工程系和化學(xué)與系統生物學(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、預測和改寫(xiě)的“DNA計算機”，它不僅能夠充當監控設備，發(fā)現潛在的致病變化；還可以在人體內合成所需的藥物，治療癌癥、心臟病、動(dòng)脈硬化等各種疑難病癥；甚至在恢復盲人視覺(jué)方面，也將大顯身手。