我們?cè)?jīng)想過(guò)擁有一個(gè)比天生器官更勤力工作的“超級(jí)器官”嗎?比如“超級(jí)肝臟”等。插入人體干細(xì)胞內(nèi)的合成DNA電路或許很快能讓我們以前所未有的精度和速度打造出一個(gè)新器官。這一合成電路可以在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)并使用從網(wǎng)上訂購(gòu)的零件組裝而成?？茖W(xué)家們表示，這一技術(shù)能讓我們方便快捷地制造出供移植的身體器官，而且，這些器官在移植進(jìn)入人體時(shí)也不會(huì)發(fā)生排異反應(yīng)。

另外，這一技術(shù)也讓我們滿懷憧憬：或許某一天，我們也能借助這一技術(shù)對(duì)我們天生擁有的器官進(jìn)行升級(jí)換代。英國(guó)倫敦大學(xué)學(xué)院的再生醫(yī)學(xué)教授克里斯·梅森表示：“未來(lái)，我們希望能增強(qiáng)細(xì)胞的功能，得到‘超級(jí)器官’。”美國(guó)麻省理工學(xué)院的合成生物學(xué)家帕特里克·古冶領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)也在對(duì)這一新方法進(jìn)行精耕細(xì)作。近日《新科學(xué)家》網(wǎng)站對(duì)此進(jìn)行了報(bào)道。

人造DNA電路控制細(xì)胞發(fā)育

除了精子和卵子細(xì)胞，我們所有的細(xì)胞都包含有完全一樣的遺傳指令。這些細(xì)胞最終會(huì)發(fā)育成不同類型的細(xì)胞是因?yàn)?ldquo;表觀遺傳”開(kāi)關(guān)打開(kāi)和關(guān)閉基因。科學(xué)家們表示，通過(guò)對(duì)這一機(jī)制進(jìn)行操控，我們可以讓成人細(xì)胞“倒帶”，讓其回到類似于胚胎的狀態(tài)并使它們發(fā)育成身體的不同組織。為了將誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(iPS)變成特定類型的身體器官，科學(xué)家們一般將其放入DNA和信號(hào)分子組成的“湯”中。這些DNA和信號(hào)分子會(huì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)并對(duì)某些“表觀遺傳”開(kāi)關(guān)進(jìn)行操控。打開(kāi)或者關(guān)閉什么基因取決于“湯”中的成分。梅森表示：“問(wèn)題在于，有成千上萬(wàn)個(gè)這樣的開(kāi)關(guān)，而且，每個(gè)開(kāi)關(guān)都需要正確的設(shè)置方式。”

另一個(gè)“攔路虎”是：“湯”中的所有細(xì)胞受到的影響都一樣，因此，會(huì)發(fā)育成同類型的身體組織。不過(guò)，一塊肝臟組織同一塊起作用的肝臟并不一樣。古冶表示，對(duì)諸如心臟這樣復(fù)雜的身體組織來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)更加明顯。因此，更有用的一種辦法將是一套每個(gè)干細(xì)胞在其發(fā)育過(guò)程中都能遵守的指令指南。古冶團(tuán)隊(duì)的方法正是基于這一點(diǎn)。他們通過(guò)查看神經(jīng)細(xì)胞和肝臟細(xì)胞在整個(gè)自然的胚胎發(fā)育過(guò)程中會(huì)發(fā)生什么情況(哪個(gè)基因被打開(kāi)以及什么時(shí)候被打開(kāi))開(kāi)始了他們的研究，接著，他們?cè)O(shè)計(jì)并制造出了人造DNA控制電路以便在iPS細(xì)胞中復(fù)制這一開(kāi)關(guān)過(guò)程。

他們使用標(biāo)準(zhǔn)的DNA零件(比如為不同的蛋白質(zhì)編碼的序列—這些序列可以從網(wǎng)上獲得)和新合成的遺傳物質(zhì)的組合制造出了這樣的電路，然后，他們使用化學(xué)方法將這些電路插入數(shù)以千計(jì)的iPS細(xì)胞內(nèi)。古冶表示：“你將其組裝成一個(gè)大的邏輯電路，然后放入細(xì)胞內(nèi)，它會(huì)與自然細(xì)胞相互作用。我們并沒(méi)有替換任何事物，我們只是在表面放置了一個(gè)控制層。”一旦這些電路進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，它們就開(kāi)始起作用。古冶說(shuō)：“我們的核心理念是：電路的自動(dòng)化程度很高。”它能夠檢測(cè)活動(dòng)(諸如細(xì)胞內(nèi)的遺傳表達(dá)的情況)并做出反應(yīng)。例如，當(dāng)電路探測(cè)到一個(gè)iPS細(xì)胞已變成一個(gè)前體細(xì)胞時(shí)，它會(huì)啟動(dòng)下一步的發(fā)育過(guò)程。

比用iPS細(xì)胞制造器官技術(shù)更可靠

迄今為止，還沒(méi)有公開(kāi)發(fā)表的結(jié)論表明，這一技術(shù)比目前廣泛采用的iPS細(xì)胞制造身體器官技術(shù)更加迅捷可靠。在一項(xiàng)研究中，古冶的團(tuán)隊(duì)在四天時(shí)間內(nèi)，將iPS變成了神經(jīng)細(xì)胞，成功率高達(dá)100%。梅森說(shuō)：“快得不可思議，一般而言，做到這一點(diǎn)需要幾周時(shí)間。”古冶方法的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于，這一實(shí)驗(yàn)只需要人體細(xì)胞就能進(jìn)行。他說(shuō)：“你會(huì)得到一個(gè)真正起作用的器官。”不過(guò)，古冶也表示，在應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)制造供移植的人體器官之前，他們還需要解決最后一個(gè)問(wèn)題，那就是找到方法清除應(yīng)該功成身退的人造DNA。就目前而言，這些人造DNA會(huì)在細(xì)胞內(nèi)待上幾周時(shí)間。

古冶說(shuō)：“它會(huì)成為基因組的一部分”。盡管人造DNA不會(huì)對(duì)人體造成任何傷害，但人們?nèi)匀粨?dān)心其長(zhǎng)期存在于體內(nèi)會(huì)引發(fā)一些法律方面的問(wèn)題。解決辦法之一是使用信使RNA制造電路，其存活時(shí)間很長(zhǎng)，足以將細(xì)胞推向新的發(fā)育階段，幾天后也可以自行生物降解。古冶表示：“我們正使用人造基因電路推翻(顛覆)自然編程。”2013年年初，他在英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院的國(guó)際合成生物學(xué)大會(huì)上發(fā)表了這項(xiàng)研究。古冶說(shuō)：“這些細(xì)胞已經(jīng)擁有了知識(shí)，我們只是幫助在背后推它們一把，讓它們更快上路。”

提高天生細(xì)胞的功能

然而，很多人的理想是使用外來(lái)附加物制造出更好的身體組織和器官。梅森說(shuō)：“這是我們打算做的事情。”不過(guò)他也承認(rèn)，我們還沒(méi)有到達(dá)那一步，當(dāng)然，監(jiān)管機(jī)構(gòu)也還沒(méi)有。日本橫濱市立大學(xué)醫(yī)學(xué)研究生院的武部貴則也同意他的想法。

武部貴則表示：“我認(rèn)為，從理論上而言，我們可以提高天生細(xì)胞的功能。” 據(jù)英國(guó)《自然》雜志報(bào)道，2013年7月份，武部貴則領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)讓三種類型的細(xì)胞自我組裝成一個(gè)細(xì)小的肝臟，這一肝臟與古冶團(tuán)隊(duì)制造出的肝臟類似。不過(guò)，他也補(bǔ)充道，在進(jìn)行這類研究前，需要進(jìn)行充分的倫理道德論證。古冶表示：“現(xiàn)在，它超出了我的知識(shí)理解范圍。我需要對(duì)我們的遺傳電路進(jìn)行更多修改。”但他也認(rèn)為，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，局限僅僅在于人們的觀念而非技術(shù)。他說(shuō)：“人們會(huì)希望擁有什么類型的新器官或者新功能呢?”