当细胞生物学遇上计算机思维,会产生什么样的火花?

发布: | 发布时间:2019-03-15,星期五 | 阅读:107

原文作者:Neil Savage

研究人员需采用多学科方法调控细胞功能。

Yvonne Chen对一种特别的免疫细胞进行了基因工程改造,使其能够靶向识别肿瘤细胞表面的两种蛋白片段。当她第一次想要把这项研究发表出来时,好几位同事都劝她不要用不熟悉的计算机逻辑语言对成果进行描述。但她依旧坚持这样做了。

插图:David Parkins

Chen是加州大学洛杉矶分校的化学及生物分子工程师,她使用了一种被称为“嵌合抗原受体”(CARs)的合成蛋白对免疫细胞,更确切地说是一种T淋巴细胞,进行了修饰;这样一来,这种免疫细胞就能识别两种蛋白质片段——CD19和CD20,这两个片段可以诱导免疫系统活化,属于抗原物质。能够识别两个片段意味着,即便肿瘤细胞发生突变致使其中一种抗原不可识别,T细胞仍然可以通过另一个抗原识别并杀死肿瘤细胞。Chen没有使用现有生物学术语将改造后的T细胞称为双特异性细胞,而是将其称为“或门嵌合抗原受体T细胞”(OR-gate CAR T cell),因为它具有识别一个或另一个靶点的能力。“

事实上,当初有很多人对我说‘你不应该将这种细胞称为或门嵌合抗原受体T细胞,因为研究T细胞的人,无论是细胞生物学家还是医生,都不会理解或门是什么意思’,”她说,“不过现在大家都称它为或门嵌合抗原受体T细胞,因为这种命名是有道理的。”

“或门”的概念在计算机领域更为常见,它指的是在存在两个输入选项中任意一个的情况下被触发的逻辑运算。Chen表示,“或门”(OR-gate)用几个英文字母就描述了细胞实际的功能,并将其与其他类型的双特异性嵌合抗原受体T细胞区分开来。她的或门细胞几乎已准备好进入临床试验阶段,而她的实验室也正在开发能够模拟其他逻辑功能的细胞,例如“与门”——仅当两个输入均为正时才运行,以及“非门”——如果输入为正,则输出为负。

交叉领域

随着科学家们为了特定目的对细胞活动进行基因层面的调控,计算机科学和工程学的术语和概念在生物学实验室里越来越普遍。计算机与工程学赋予了科研人员前所未有的能力,包括传统基因编辑工具,如病毒和锌指蛋白,以及新的可以对DNA进行更有靶向性编辑的CRISPR-Cas9技术。

科学家对一个或多个复制DNA的转录因子进行调整,并收集了大量数据以了解每个组合变化会对细胞产生怎样的影响。转录因子的组合如此之多,又如此之繁复,以至于需要一名计算机科学家为此专门建立一个模型。其他研究人员正在探索潜在的治疗方法,其中部分方法是基于患者自身的免疫细胞,让人们对胚胎发育有了全新的认识。或许有一天,这些技术会让人们创造出现在完全无法想象的东西,用斯坦福大学生物工程师Drew Endy的话来说就是“生命之灵”。

插图:David Parkins

Chen开发了或门嵌合抗原受体T细胞以解决肿瘤逃逸问题,所谓肿瘤逃逸就是指肿瘤细胞发生突变使免疫疗法无法识别。如果面对的是或门嵌合抗原受体T细胞,肿瘤细胞必须同时失去两种抗原才能在免疫系统前隐身——这不太可能发生。

但嵌合抗原受体T细胞疗法可能会产生相反的问题:尽管在设计时这种T细胞的靶标是肿瘤细胞,但它也可能识别健康细胞上的类似抗原,进而攻击这些健康细胞。为此,Chen还设计了另一种不同类型的与门T细胞。当这种T细胞通过靶抗原接收到信号时,它会表达第二种受体。只有当第二个受体在靶细胞上也发现了对应抗原时,T细胞才会活化并发起攻击。具体要使用与门T细胞还是或门T细胞,是由需治疗的肿瘤特征决定的。

Endy说,使用细胞逻辑或许还可以实现更多功能。“如今我们拥有全套布尔逻辑运算符,可以在多种类型的细胞中通过多种分子机制实现,而且我们正越做越好。”他说。他想象对一个细胞进行编辑,使其能够对自己的分裂进行计数。如果一些细胞分裂速度加快,那可能是癌症的早期征兆,启动程序性细胞死亡或许能在其他方法尚不能检测到的时候将肿瘤扼杀在摇篮里。

斯坦福的另外一名研究人员、干细胞生物学与再生医学研究所的病理学家Marius Wernig设想创造出一种“智能细胞”,它们可以监测身体各种疾病进程,并在出现问题时采取行动。他认为,目前离他的设想还很遥远,但这并不意味着无法实现。 Wernig说:“我们正处在一个非常激动人心的时刻。”因为CRISPR和其他基因工程工具“为我们打开了非常多的可能性”。

Wernig的关注重点是再生医学,他的实验室率先让本应该产生皮肤组织的细胞转变为功能神经元。他特别致力于研究使用成年细胞源干细胞来开发一种疗法,治疗营养障碍性大疱性表皮松解症,这是一种会导致皮肤起泡破溃的遗传疾病。他的设想是从患者身上采集细胞,将其转化为干细胞,对其进行基因修饰,然后再将这些细胞转回皮肤,将其作为移植物替代受损组织。他希望这种疗法能在两三年内进入临床试验阶段。

为了解编辑细胞分子机器会如何改变细胞的行为,Wernig和他的同事们使用CRISPR单独改变每个因子,然后将其组合起来。他并没有在细胞基因组中减去或插入DNA片段,而是打开或关闭人类细胞中的转录因子,看看究竟有什么效果。他试验了2,000多个转录因子以及一些被称为染色质修饰物的DNA调节酶,基本上推动了细胞机器中的每一个杠杆,然后看看会发生什么。

约翰·霍普金斯大学细胞工程研究所的计算生物学家Patrick Cahan说,这种系统工程方法的确是探索生物学问题的新途径。“他们可以观察大量的基因组合的启动和沉默,不论我们认为我们在几十年的发育生物学发展中对这些基因有多少了解,”Cahan说,“现在就只是‘让我们看看有哪些可能性’。”

处理过程的重要性

Cahan表示计算机科学在细胞工程研究中发挥着重要作用,部分原因是因为像Wernig的那样的实验会生成海量数据。如果生物学家希望观察在特定细胞中哪些基因是表达的,哪些基因是不表达的,表达基因的丰度如何,他们面对的是数千个单个细胞中含有20,000-30,000个变量的数据集。要理解这些数据,特别是当许多不同的因素以纷繁复杂的组合协同作用时,就需要计算机建模和机器学习。

Cahan希望他所有的学生都能习惯基因组尺度的计算,同时又保持一种批判性的态度。所谓习惯,就是觉得计算机可以提供有价值的结果;所谓批判,则指能够发现数据无法回答的问题,或者从设计试验之初就确保自己最终获得的实验数据能够帮助找到想要的答案。

没有经验的研究人员很容易出现的一种情况是,整理数据使之与自己的假设相符。他们自以为看到了真相,然而并不是。但也可能出现相反的错误。“当你看到与你的假设不一致的结果时,你可能会认为是这种大规模数据集的问题,于是忽略了这个结果,”Cahan说,“然而可能它才是真相。”

生物医学工程师Krishnendu Roy表示,虽然人们已经非常擅长制造无生命物体,譬如计算机芯片、汽车等,甚至能够制造相对简单的生物制品,例如被称为单克隆抗体的药物,但细胞的工业生产则是一个全新的领域。“这可能是人类历史上第一次试图对具有生命的产品进行工业级生产,”Roy说,“整个制造的模式都需要改变。”他是美国国家科学基金会位于佐治亚理工学院的细胞制造技术工程研究中心的负责人。

其中一个主要挑战是活细胞会根据环境发生改变。不同批次的试剂,不同的容器材料,二维或是三维的结构,甚至是是否存在电场,都可能改变细胞中哪些基因会被激活,哪些蛋白质被表达以及细胞产生哪些代谢产物。

“我们的产物非常敏感,一点细微的调整都可能导致其发生变化。这些变化的重要性我们尚不清楚。”Roy说。因此,工程师需要了解生物过程,而生物学家需要了解工业生产系统。“如果你只是召集了一群工程师,然后给他们细胞,他们并没有办法解决这个问题。”Roy说。

更广阔的视野

细胞工程是一个多学科领域,研究人员了解其研究工作相关的所有专业非常重要。 “现在,细胞生物学、医疗保健和数据科学正在逐渐融合,这让我们得以了解那些以前从未知晓的细胞特性和功能。Roy说。

分子生物学、生物信息学、化学工程、工业工程,将不同领域的专业知识和解决问题的方法综合起来,是细胞工程发挥作用的关键。Endy曾帮助斯坦福大学和麻省理工学院设计本科生物工程课程(参见“理学与工程学的碰撞”),他认为科学家和工程师分别有其自己看待基础科学问题的方式。“我作为一名工程师,可能觉得让东西运转起来是关键,而生物学家最终关注的是知识,以及具体的生物学机制。”他说。

理学与工程学的碰撞

希望进入细胞工程领域的青年研究人员需要学习很多技能。Drew Endy是斯坦福大学的一名生物工程师,他曾为斯坦福大学和麻省理工学院设计生物工程课程。以下是他给细胞工程研究人员提出的几点建议。

了解多领域的知识。“如果你是一名结构工程师,你需要了解混凝土钢筋、杨氏模量、应力和应变等。”Endy说,“如果你是一名生物工程师,那么你需要了解的就是细胞、分子和组织等。”

理解系统设计。这就像应该能够发现建筑物哪里需要柱子或细胞哪里需要特定蛋白质。“但理学类专业中并没有系统设计相关课程。”Endy说。

知道什么是可能实现的。正如工程师需要知道水无法在没有泵的情况下向上流动一样,细胞工程师需要了解细胞不同部分之间如何相互作用。“我们要深入研究生物的物理学机制。”

发现问题。“一位生物学研究人员在选择研究问题时候可能会先问自己,‘什么是一个好的科学问题?’”Endy说,“换成工程师可能会先问:‘墨西哥的香草种植情况如何了,我能做些什么来改善它?’”。

所有的研究人员都说他们必须学习很多他们的主攻领域之外的东西。比如说,Chen必须学习如何开展临床试验。她发现,她需要确定能够注入患者体内的药物的体积,而她以前从未想过一名基础科研人员还需要解决这样的问题。Chen不仅要考虑她尝试的方法是否有效,还要考虑是否能够用一种可以取得专利的方式达到研究目的 ——免疫疗法非常昂贵,因此取得知识产权可以帮助支付部分临床试验的费用,这是一个重要的考量。

事实上,Endy 认为细胞工程领域不仅打开了大量的理学和工程学问题,也提出了很多伦理和政策问题。“我们有能力让100亿人能够在不破坏地球的情况下过得健康幸福。”他说,“在我看来,我们将掌握生命的运行真谛,我们大约能在2030年之前完成这项工作,当然我们还可以更快。问题是,我们对生物学有什么期望? 我们期待的与生物学的关系是什么样的?理学和工程学都无法回答这个问题。”

原文以Computer logic meets cell biology: how cell science is getting an upgrade为标题

发布在2018年12月5日Nature SPOTLIGHT上

Nature|doi:10.1038/d41586-018-07595-4


来源:Nature自然科研
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