“超级器官”引关注 人造DNA电路控制细胞发育

我们曾经想过拥有一个比天生器官更勤力工作的“超级器官”吗？比如“超级肝脏”等。插入人体干细胞内的合成DNA电路或许很快能让我们以前所未有的精度和速度打造出一个新器官。

这一合成电路可以在计算机上设计并使用从网上订购的零件组装而成。科学家们表示，这一技术能让我们方便快捷地制造出供移植的身体器官，而且，这些器官在移植进入人体时也不会发生排异反应。另外，这一技术也让我们满怀憧憬：或许某一天，我们也能借助这一技术对我们天生拥有的器官进行升级换代。

英国伦敦大学学院的再生医学教授克里斯 梅森表示：“未来，我们希望能增强细胞的功能，得到‘超级器官’。”美国麻省理工学院的合成生物学家帕特里克 古冶领导的研究团队也在对这一新方法进行精耕细作。近日《新科学家》网站对此进行了报道。

人造DNA电路控制细胞发育

除了精子和卵子细胞，我们所有的细胞都包含有完全一样的遗传指令。这些细胞最终会发育成不同类型的细胞是因为“表观遗传”开关打开和关闭基因。科学家们表示，通过对这一机制进行操控，我们可以让成人细胞“倒带”，让其回到类似于胚胎的状态并使它们发育成身体的不同组织。

为了将诱导多能干细胞(iPS)变成特定类型的身体器官，科学家们一般将其放入DNA和信号分子组成的“汤”中。这些DNA和信号分子会进入细胞内并对某些“表观遗传”开关进行操控。打开或者关闭什么基因取决于“汤”中的成分。梅森表示：“问题在于，有成千上万个这样的开关，而且，每个开关都需要正确的设置方式。”

另一个“拦路虎”是：“汤”中的所有细胞受到的影响都一样，因此，会发育成同类型的身体组织。不过，一块肝脏组织同一块起作用的肝脏并不一样。古冶表示，对诸如心脏这样复杂的身体组织来说，这一点更加明显。

因此，更有用的一种办法将是一套每个干细胞在其发育过程中都能遵守的指令指南。古冶团队的方法正是基于这一点。他们通过查看神经细胞和肝脏细胞在整个自然的胚胎发育过程中会发生什么情况(哪个基因被打开以及什么时候被打开)开始了他们的研究，接着，他们设计并制造出了人造DNA控制电路以便在iPS细胞中复制这一开关过程。他们使用标准的DNA零件(比如为不同的蛋白质编码的序列―这些序列可以从网上获得)和新合成的遗传物质的组合制造出了这样的电路，然后，他们使用化学方法将这些电路插入数以千计的iPS细胞内。

古冶表示：“你将其组装成一个大的逻辑电路，然后放入细胞内，它会与自然细胞相互作用。我们并没有替换任何事物，我们只是在表面放置了一个控制层。”

一旦这些电路进入细胞内部，它们就开始起作用。古冶说：“我们的核心理念是：电路的自动化程度很高。”它能够检测活动(诸如细胞内的遗传表达的情况)并做出反应。例如，当电路探测到一个iPS细胞已变成一个前体细胞时，它会启动下一步的发育过程。

比用iPS细胞制造器官技术更可靠

迄今为止，还没有公开发表的结论表明，这一技术比目前广泛采用的iPS细胞制造身体器官技术更加迅捷可靠。在一项研究中，古冶的团队在四天时间内，将iPS变成了神经细胞，成功率高达100%。梅森说：“快得不可思议，一般而言，做到这一点需要几周时间。”

古冶方法的另一个优势在于，这一实验只需要人体细胞就能进行。他说：“你会得到一个真正起作用的器官。”

不过，古冶也表示，在应用这项技术制造供移植的人体器官之前，他们还需要解决最后一个问题，那就是找到方法清除应该功成身退的人造DNA。就目前而言，这些人造DNA会在细胞内待上几周时间。古冶说：“它会成为基因组的一部分”。尽管人造DNA不会对人体造成任何伤害，但人们仍然担心其长期存在于体内会引发一些法律方面的问题。解决办法之一是使用信使RNA制造电路，其存活时间很长，足以将细胞推向新的发育阶段，几天后也可以自行生物降解。

古冶表示：“我们正使用人造基因电路推翻(颠覆)自然编程。”今年年初，他在英国帝国理工学院的国际合成生物学大会上发表了这项研究。古冶说：“这些细胞已经拥有了知识，我们只是帮助在背后推它们一把，让它们更快上路。”

提高天生细胞的功能

然而，很多人的理想是使用外来附加物制造出更好的身体组织和器官。

梅森说：“这是我们打算做的事情。”不过他也承认，我们还没有到达那一步，当然，监管机构也还没有。日本横滨市立大学医学研究生院的武部贵则也同意他的想法。武部贵则表示：“我认为，从理论上而言，我们可以提高天生细胞的功能。”据英国《自然》杂志报道，今年7月份，武部贵则领导的研究团队让三种类型的细胞自我组装成一个细小的肝脏，这一肝脏与古冶团队制造出的肝脏类似。不过，他也补充道，在进行这类研究前，需要进行充分的伦理道德论证。

古冶表示：“现在，它超出了我的知识理解范围。我需要对我们的遗传电路进行更多修改。”但他也认为，从长远来看，局限仅仅在于人们的观念而非技术。他说：“人们会希望拥有什么类型的新器官或者新功能呢？”