生命科學

DNA時鐘誕生

科學家朝建造分子電腦的目標邁進一大步。

撰文/納維爾(Rachel Nuwer)
翻譯/張薰文

生命科學

DNA時鐘誕生

科學家朝建造分子電腦的目標邁進一大步。

撰文/納維爾(Rachel Nuwer)
翻譯/張薰文


大自然是建構生物機器和生物線路的大師,包括維持體內的生理時鐘、複製基因或協助細胞移動。現在生物工程師也學著設計並合成新型生化裝置,例如奈米工廠、生物線路甚至分子電腦。


截至目前為止,這類仿生科技研發主要仰賴現有的細胞成份,例如酵素,但有些科學家選擇從頭開始。對這些「分子程式設計師」而言,DNA正是程式語言,製作出與自然界匹敵的電路和機器是他們的終極目標。最近,他們創造了第一個振盪器——全由DNA構成的分子時鐘,朝目標邁進了一大步。


這項劃時代的成就發表於去年12月的《科學》期刊,顯示了DNA不只被動攜帶遺傳訊息;相反地,它是一種本身就能「處理複雜行為的分子」,這項研究的資深作者、美國德州大學奧斯丁分校的電子與電腦工程師索羅維奇克(David Soloveichik)說道。DNA振盪器本身就是生物工程學的一大成就,而且可與合成生物學中有潛力的突破進行整合,例如控制人造細胞的時程、藥物釋出的排程以及使分子電腦同步。


為了創造這項裝置,索羅維奇克與加州理工學院的博士候選人斯里尼瓦斯(Niranjan Srinivas)建造一個DNA編譯器,藉由一系列演算法,分子程式設計師能夠在不引發生化反應的狀況下傳達建構分子的指令。軟體把這些指令轉譯為合成的DNA序列並把它們混合在一起,這些單股DNA便會自己組成分子機器。


利用這種分子編譯器,研究團隊設計出一個DNA振盪器的原型,能夠產生重複的「滴」與「答」。索羅維奇克說,理論上同樣的方式可用來產生更複雜的行為,例如改變時鐘的速度以對化學訊號做出反應。這些時鐘最後可能會成為化學電腦,畢竟早期的一些機械式電腦也只是精密的時鐘。


並未參與這項研究的哈佛大學系統生物學家尹鵬對這項成果印象深刻,讚揚它「在分子編程、動態DNA奈米科技和體外合成生物學上是重要成就」。此外,科學家相信早期生命就完全依賴DNA的近親RNA,索羅維奇克補充道:「這項研究顯示,DNA和RNA這些核酸可能以嶄新且令人意外的方式,使我們了解生命起源。」


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