“超級器官”引關注 人造DNA電路控制細胞發育
我們曾經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。插入人體幹細胞內的合成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計並使用從網上訂購的零件組裝而成。科學家們表示，這一技術能讓我們方便快捷地製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生排異反應。另外，這一技術也讓我們滿懷憧憬：或許某一天，我們也能借助這一技術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》網站對此進行了報道。
人造DNA電路控制細胞發育
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。這些細胞最終會發育成不同類型的細胞是因為“表觀遺傳”開關打開和關閉基因。科學家們表示，通過對這一機制進行操控，我們可以讓成人細胞“倒帶”，讓其回到類似於胚胎的狀態並使它們發育成身體的不同組織。
為了將誘導多能幹細胞(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並對某些“表觀遺傳”開關進行操控。打開或者關閉什麼基因取決於“湯”中的成分。梅森表示：“問題在於，有成千上萬個這樣的開關，而且，每個開關都需要正確的設置方式。”
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並不一樣。古冶表示，對諸如心臟這樣複雜的身體組織來説，這一點更加明顯。
因此，更有用的一種辦法將是一套每個幹細胞在其發育過程中都能遵守的指令指南。古冶團隊的方法正是基於這一點。他們通過查看神經細胞和肝臟細胞在整個自然的胚胎髮育過程中會發生什麼情況(哪個基因被打開以及什麼時候被打開)開始了他們的研究，接着，他們設計並製造出了人造DNA控制電路以便在iPS細胞中複製這一開關過程。他們使用標準的DNA零件(比如為不同的蛋白質編碼的序列—這些序列可以從網上獲得)和新合成的遺傳物質的組合製造出了這樣的電路，然後，他們使用化學方法將這些電路插入數以千計的iPS細胞內。
古冶表示：“你將其組裝成一個大的邏輯電路，然後放入細胞內，它會與自然細胞相互作用。我們並沒有替換任何事物，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部，它們就開始起作用。古冶説：“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(諸如細胞內的遺傳表達的情況)並做出反應。例如，當電路探測到一個iPS細胞已變成一個前體細胞時，它會啓動下一步的發育過程。
比用iPS細胞製造器官技術更可靠
迄今為止，還沒有公開發表的結論表明，這一技術比目前廣泛採用的iPS細胞製造身體器官技術更加迅捷可靠。在一項研究中，古冶的團隊在四天時間內，將iPS變成了神經細胞，成功率高達100%。梅森説：“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勢在於，這一實驗只需要人體細胞就能進行。他説：“你會得到一個真正起作用的器官。”
不過，古冶也表示，在應用這項技術製造供移植的人體器官之前，他們還需要解決最後一個問題，那就是找到方法清除應該功成身退的人造DNA。就目前而言，這些人造DNA會在細胞內待上幾周時間。古冶説：“它會成為基因組的一部分”。儘管人造DNA不會對人體造成任何傷害，但人們仍然擔心其長期存在於體內會引發一些法律方面的問題。解決辦法之一是使用信使RNA製造電路，其存活時間很長，足以將細胞推向新的發育階段，幾天後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。”今年年初，他在英國帝國理工學院的國際合成生物學大會上發表了這項研究。古冶説：“這些細胞已經擁有了知識，我們只是幫助在背後推它們一把，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製造出更好的身體組織和器官。
梅森説：“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，監管機構也還沒有。日本橫濱市立大學醫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。” 據英國《自然》雜誌報道，今年7月份，武部貴則領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製造出的肝臟類似。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：“現在，它超出了我的知識理解範圍。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，侷限僅僅在於人們的觀念而非技術。他説：“人們會希望擁有什麼類型的新器官或者新功能呢？”