撰文:朱爽爽 目前市面主流的芯片已经达到了 7 nm 工艺,而受制于物理的限制,科学家推测芯片制造的极限是 3 nm。也就是说,传统芯片的性能未来将很快到达极限,人类必须找到新的方案来代替传统芯片。 近日,来自宾夕法尼亚大学医学院生物化学与分子生物学教授 Nikolay V. Dokholyan 带领的研究团队,通过在活细胞内对蛋白质进行改造,成功构建出了蛋白质逻辑门。这种蛋白质逻辑门不仅能够实现纳米计算,也能精确控制细胞的运动,为构建复杂的纳米计算奠定了基础。 对此,Dokholyan 教授表示,“我们的研究是一个重要的里程碑,证明了在蛋白质中嵌入条件操作并控制其功能的能力,不仅为分子纳米计算铺平了道路,也能够使我们更深入地了解人类生物学和疾病,并为精准疗法的发展做出贡献。” 现代硅基计算机采用二进制系统(1 代表肯定,0 代表否定),广泛使用布尔逻辑体系来实现逻辑运算。实现这些运算的基本法则称之为逻辑门。例如,最简单的逻辑门是单个输入对应单个输出。非门(NOT)将所有接收到的信号值反转,而是门(YES)则不改变原来的信号值。PASS1 将所有输入信号以 1 输出,而 PASS0 将所有输入信号以 0 输出。 此外,二信号输入逻辑门允许有更多运算,如 AND 门只有当两输入信号均为 1 时才输出 1。这些简单的逻辑门(单输入,多输入)可以集成连接起来,构建出更为复杂的逻辑运算,如半加器、半减器等(例如半加法器是由一个异或门和与门并联形成,其中与门的输出构成半加法器的“进”位,异或门的输出构成半加法器的“和”位,这两种基本的逻辑门共享相同的输入)。 (来源:Pixabay) 在否定的逻辑转换中,其对应的电路处理输入信号的方式相反。现代微处理器就是将这些标准化的逻辑门电路集成在一起,用于实现各种功能的运算。 现代电子计算机发展的一个瓶颈问题是关于逻辑电路的微型化。电子线路的制造主要是通过大规模的自上而下的方式实现电路元件的微型化。这种方式使工程师们不断地操纵更小尺度的物理元件,但它受内在物理定律限制。 因此,如果能够利用生物分子实现自下而上地构建纳米元件时,在分子水平处理信息,那么就将有望设计出比现代计算机更小更强大的纳米计算机。 实际上,相比于硅基计算机,人体是一台更加强大、巧夺天工的超级计算机,在体内分分秒秒进行着大量的逻辑运算,从而控制生物的新陈代谢、生长、繁殖、应激、行为及思想。从这个角度出发,利用生物分子替代电子元件来构建功能强大的生物计算机有巨大的潜力。 在本研究中,为了设计最基本逻辑门,Dokholyan 教授将目光放在了蛋白质粘着斑激酶(FAK)上,这种酶主要参与细胞粘附和运动,与癌症转移密切相关。 首先,研究人员在编码 FAK 蛋白的基因中引入了一个名为 uniRApr 的雷帕霉素敏感域,以及一个名为 LOV2 的光敏感域。这两个结构域分别对雷帕霉素和光做出反应,形成一个双输入的逻辑“或门”。也就是说,激活任意结构域均可引起蛋白质反应。 图 | 蛋白质逻辑门(来源:Nature) 这一研究结果表明,使用化学或光遗传学开关可以对蛋白质的功能进行正向调节,FAK 激活可以显著降低细胞外基质活性并降低细胞运动性。这项工作为蛋白质功能的精细化调控,以及构建复杂的纳米级计算奠定了基础。 (来源:azonano) Dokholyan 教授表示,“未来,他们将在生物体内进一步评估蛋白质分子纳米计算的潜力。” 参考资料: https://www./articles/s41467-021-26937-x#Sec7 https://www./news/nanocomputing-shows-it-can-control-protein-function/ 点这里关注我👇记得标星~ 热门视频推荐 |
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