我們曾經(jīng)想過擁有一個比天生器官更勤力工作的“超級器官”嗎?比如“超級肝臟”等。插入人體干細胞內(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新器官。這一合成電路可以在計算機上設(shè)計并使用從網(wǎng)上訂購的零件組裝而成?？茖W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，這些器官在移植進入人體時也不會發(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)對我們天生擁有的器官進行升級換代。英國倫敦大學學院的再生醫(yī)學教授克里斯·梅森表示：“未來，我們希望能增強細胞的功能，得到‘超級器官’。”美國麻省理工學院的合成生物學家帕特里克·古冶領(lǐng)導的研究團隊也在對這一新方法進行精耕細作。近日《新科學家》網(wǎng)站對此進行了報道。

人造DNA電路控制細胞發(fā)育

除了精子和卵子細胞，我們所有的細胞都包含有完全一樣的遺傳指令。這些細胞最終會發(fā)育成不同類型的細胞是因為“表觀遺傳”開關(guān)打開和關(guān)閉基因?？茖W家們表示，通過對這一機制進行操控，我們可以讓成人細胞“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。為了將誘導多能干細胞(iPS)變成特定類型的身體器官，科學家們一般將其放入DNA和信號分子組成的“湯”中。這些DNA和信號分子會進入細胞內(nèi)并對某些“表觀遺傳”開關(guān)進行操控。打開或者關(guān)閉什么基因取決于“湯”中的成分。梅森表示：“問題在于，有成千上萬個這樣的開關(guān)，而且，每個開關(guān)都需要正確的設(shè)置方式。”

另一個“攔路虎”是：“湯”中的所有細胞受到的影響都一樣，因此，會發(fā)育成同類型的身體組織。不過，一塊肝臟組織同一塊起作用的肝臟并不一樣。古冶表示，對諸如心臟這樣復雜的身體組織來說，這一點更加明顯。因此，更有用的一種辦法將是一套每個干細胞在其發(fā)育過程中都能遵守的指令指南。古冶團隊的方法正是基于這一點。他們通過查看神經(jīng)細胞和肝臟細胞在整個自然的胚胎發(fā)育過程中會發(fā)生什么情況(哪個基因被打開以及什么時候被打開)開始了他們的研究，接著，他們設(shè)計并制造出了人造DNA控制電路以便在iPS細胞中復制這一開關(guān)過程。

他們使用標準的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，他們使用化學方法將這些電路插入數(shù)以千計的iPS細胞內(nèi)。古冶表示：“你將其組裝成一個大的邏輯電路，然后放入細胞內(nèi)，它會與自然細胞相互作用。我們并沒有替換任何事物，我們只是在表面放置了一個控制層。”一旦這些電路進入細胞內(nèi)部，它們就開始起作用。古冶說：“我們的核心理念是：電路的自動化程度很高。”它能夠檢測活動(諸如細胞內(nèi)的遺傳表達的情況)并做出反應(yīng)。例如，當電路探測到一個iPS細胞已變成一個前體細胞時，它會啟動下一步的發(fā)育過程。

比用iPS細胞制造器官技術(shù)更可靠

迄今為止，還沒有公開發(fā)表的結(jié)論表明，這一技術(shù)比目前廣泛采用的iPS細胞制造身體器官技術(shù)更加迅捷可靠。在一項研究中，古冶的團隊在四天時間內(nèi)，將iPS變成了神經(jīng)細胞，成功率高達100%。梅森說：“快得不可思議，一般而言，做到這一點需要幾周時間。”古冶方法的另一個優(yōu)勢在于，這一實驗只需要人體細胞就能進行。他說：“你會得到一個真正起作用的器官。”不過，古冶也表示，在應(yīng)用這項技術(shù)制造供移植的人體器官之前，他們還需要解決最后一個問題，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會在細胞內(nèi)待上幾周時間。

古冶說：“它會成為基因組的一部分”。盡管人造DNA不會對人體造成任何傷害，但人們?nèi)匀粨钠溟L期存在于體內(nèi)會引發(fā)一些法律方面的問題。解決辦法之一是使用信使RNA制造電路，其存活時間很長，足以將細胞推向新的發(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，他在英國帝國理工學院的國際合成生物學大會上發(fā)表了這項研究。古冶說：“這些細胞已經(jīng)擁有了知識，我們只是幫助在背后推它們一把，讓它們更快上路。”

提高天生細胞的功能

然而，很多人的理想是使用外來附加物制造出更好的身體組織和器官。梅森說：“這是我們打算做的事情。”不過他也承認，我們還沒有到達那一步，當然，監(jiān)管機構(gòu)也還沒有。日本橫濱市立大學醫(yī)學研究生院的武部貴則也同意他的想法。

武部貴則表示：“我認為，從理論上而言，我們可以提高天生細胞的功能。” 據(jù)英國《自然》雜志報道，2013年7月份，武部貴則領(lǐng)導的研究團隊讓三種類型的細胞自我組裝成一個細小的肝臟，這一肝臟與古冶團隊制造出的肝臟類似。不過，他也補充道，在進行這類研究前，需要進行充分的倫理道德論證。古冶表示：“現(xiàn)在，它超出了我的知識理解范圍。我需要對我們的遺傳電路進行更多修改。”但他也認為，從長遠來看，局限僅僅在于人們的觀念而非技術(shù)。他說：“人們會希望擁有什么類型的新器官或者新功能呢?”