科学杂志Science:生物“计算机”能辨认并摧毁癌细胞

Science杂志封面美国赛力克化学-信号通路
Science杂志封面美国赛力克化学-信号通路

 近日来自哈佛大学、麻省理工学院以及瑞士苏黎世联邦初等工业学院的研讨人员在新研讨中成功地将生物“计算机”诊断网络导入到人类细胞中,这种生物网络经过对5种肿瘤特异性分子停止逻辑组合剖析辨认出了特异的癌细胞,并触发了这些癌细胞的消灭进程。

这一研讨效果在线宣布在9月2日的《迷信》(Science)杂志上。文章的通讯作者是哈佛大学零碎生物学中心的生物工程学家Yaakov Benenson及麻省理工大学的Ron        Weiss教授。Benenson临时努力于开发在活体细胞内运作的生物计算机。生物计算机是一种完全由DNA、RNA及蛋白质构成的分子自动机(molecular        automata),它们的“输出”是细胞质中的RNA、蛋白质以及其他化学物质,“输入”的则是很容易区分的分子信号。由于生物计算机可以探测和监控基因渐变等细胞内一切活动的特征信息,因而它们可以确定癌细胞等病变细胞。此外,它们还可以自动激起巨大剂量的医治行为。应用这些“分子医生”将无望引发人类医学的严重革新——明白地对人体病变细胞或组织停止医治,而安康的细胞完全不会遭到搅扰。不过,要最终完成这一目的,还有很长的路要走。迷信家近期停止的一些相关研讨,大都是尝试以不同方式开发具有多种用处的生物计算机。

在这篇文章中,研讨人员成功构建了一个多基因分解“电路”,此电路担任鉴别肿瘤细胞与正常细胞,进而靶向性摧毁辨认的肿瘤细胞。其详细任务原理是:对细胞内5种肿瘤特异性分子及呈现频率停止抽样及综合剖析。是由当5种因子同时在细胞内呈现时,该电路才做出正辨认呼应。这使得肿瘤检测的准确性大大增高。研讨人员希望这一效果能为开收回特异的抗癌医治奠定根底。随后迷信家们用这一多基因分解网络对实验室中培育的两种人类细胞Hela细胞(一种子宫颈癌细胞)和正常细胞停止了检测。当遗传生物计算机被导入到这两种不同的细胞类型中时,只要Hela细胞被摧毁,而正常细胞则平安无事。取得这一后果并非易事,研讨人员为之投入了少量的根底任务。

Benenson及同时首先针对正常安康细胞和Hela细胞中的miRNA分子停止了高通量筛查,最终确定了能将Hela细胞从安康细胞中鉴别出的5种特定的miRNA组合。“这些miRNA分子被导入到细胞中停止检测。新型的生物计算机应用诸如‘是’与‘非’的逻辑运算对这五种miRNA分子停止组合。只要当对一切分子的全体运算后果为逻辑‘真’时才会生成需求的后果——即促使细胞死亡,”Benenson说。目前研讨人员已确定这终身物计算机网络在活细胞中可以十分波动地任务,精确组合一切细胞内因子并生成正确答案,这代表着研讨者们在该范畴又向前迈进了重要的一步。

 

Multi-Input RNAi-Based Logic Circuit for Identification of Specific Cancer Cells

Zhen Xie, Liliana Wroblewska, Laura Prochazka, Ron Weiss, Yaakov Benenson

Engineered biological systems that integrate multi-input sensing, sophisticated information processing, and precisely regulated actuation in living cells could be useful in a variety of applications. For example, anticancer therapies could be engineered to detect and respond to complex cellular conditions in individual cells with high specificity. Here, we show a scalable transcriptional/posttranscriptional synthetic regulatory circuit—a cell-type “classifier”—that senses expression levels of a customizable set of endogenous microRNAs and triggers a cellular response only if the expression levels match a predetermined profile of interest. We demonstrate that a HeLa cancer cell classifier selectively identifies HeLa cells and triggers apoptosis without affecting non-HeLa cell types. This approach also provides a general platform for programmed responses to other complex cell states.

 

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