為什么我們可以治愈傷口，但不能長(zhǎng)出斷肢?邁克爾萊文認(rèn)為關(guān)鍵在于我們的細(xì)胞用來(lái)互相交流的秘密電子語(yǔ)言，他認(rèn)為我們離破解代碼還有一段距離。

希望是，如果我們能夠?qū)W會(huì)理解和控制這些信號(hào)，我們最終可能能夠幫助人類再生受損的肢體和器官，修復(fù)先天缺陷，甚至重新編程癌癥。我采訪了Levin，看看進(jìn)展如何。

Edd Gent：你能概述一下你實(shí)驗(yàn)室的使命嗎？

Michael Levin：

首先，我們想了解生物系統(tǒng)如何處理信息。因此，我們對(duì)活組織如何做出決策，如何存儲(chǔ)記憶，細(xì)胞如何與特定結(jié)果合作感興趣。

一旦我們更好地了解生物系統(tǒng)如何做出決策，我們就能夠?yàn)樯镝t(yī)學(xué)目的操縱這些決策。例如，重新編程腫瘤并導(dǎo)致?lián)p傷的修復(fù)和再生。因此，我們的目標(biāo)是真正理解然后醫(yī)學(xué)上利用生活組織的驚人能力來(lái)計(jì)算和處理信息。

EG：你的方法與其他實(shí)驗(yàn)室的方法有何不同？

ML：

有許多實(shí)驗(yàn)室正在研究細(xì)胞和組織如何運(yùn)作的分子機(jī)制。但我們感興趣的不僅僅是那些機(jī)制，還有信息內(nèi)容和細(xì)胞和組織正在使用的算法。我們處于一個(gè)新興的領(lǐng)域，稱為原始認(rèn)知，這是一個(gè)系統(tǒng)不一定是大腦的問(wèn)題 - 從植物到單細(xì)胞生物到組織處理信息。

除了每個(gè)人研究的常見(jiàn)生物化學(xué)和分子方面，我們一直在開(kāi)發(fā)一種全新的細(xì)胞通訊理解。事實(shí)證明，所有細(xì)胞，而不僅僅是神經(jīng)元，都是電子通信的。我們是第一個(gè)開(kāi)發(fā)分子工具來(lái)真正傾聽(tīng)細(xì)胞和組織彼此之間的所有電子對(duì)話，并制定改變這些對(duì)話的策略。因此，我們不僅可以控制單個(gè)細(xì)胞行為，更重要的是，我們可以通過(guò)改變細(xì)胞間的電通信來(lái)控制大規(guī)模的體型形成和再生。

EG：我們對(duì)電子通訊在發(fā)展和再生中的作用了解多少？

ML：

我們現(xiàn)在所知道的是，電信號(hào)在許多再生事件中非常重要。我們不知道的是，為人類生物醫(yī)學(xué)操縱這些東西是多么容易或多么困難。我們已經(jīng)展示了在非人類模型系統(tǒng)以及文化中的人類細(xì)胞中一些非常有希望的控制類型的應(yīng)用。但它如何在成年人身上發(fā)揮作用尚不清楚。

關(guān)于電子特性如何編碼大規(guī)模模式還有很多東西要發(fā)現(xiàn)。未來(lái)十年或更長(zhǎng)時(shí)間的巨大挑戰(zhàn)是了解全球范圍內(nèi)的電氣特性如何控制器官大小，器官形狀，器官位置和器官特征。

我們工作中出現(xiàn)的最令人驚訝和最重要的事情之一是，如果你適當(dāng)?shù)毓芾砩镫娐?，你可以在不觸及基因組的情況下獲得與該物種的標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)值完全不同的[體]形狀結(jié)果。事實(shí)證明，基因組編碼硬件。但是一旦你擁有了這個(gè)硬件，在它上面運(yùn)行的軟件，即電池發(fā)送給彼此的所有電信號(hào)，都是非常具有可塑性的。因此，基因組與解剖學(xué)之間的關(guān)系并不像人們想象的那樣，盡管有正常的基因組，但仍有很多機(jī)會(huì)進(jìn)行改變。

EG：生物電是否負(fù)責(zé)管理人體計(jì)劃和再生？

ML：

電信號(hào)與細(xì)胞使用的所有其他類型的信號(hào)配合，如化學(xué)信號(hào)或物理力，如應(yīng)力，壓力和張力。所以它絕對(duì)不是唯一的，但我們關(guān)注它的原因是因?yàn)槲艺J(rèn)為它是控制決策最容易控制的信號(hào)之一。

研究表明，生物電是細(xì)胞和組織做出大規(guī)模決策的方式，因此它是一個(gè)非常易處理的控制點(diǎn)。它不是唯一的控制點(diǎn)，但它似乎有很多優(yōu)點(diǎn)，我認(rèn)為這是因?yàn)檫M(jìn)化很早就發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)是一種非常好的計(jì)算方法。我們的大腦使用電網(wǎng)并且我們的計(jì)算機(jī)使用電網(wǎng)并不是巧合。

EG：這是否意味著生命系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)如何處理信息之間存在重要的重疊？

ML：

我不是說(shuō)生活紙巾的運(yùn)行方式與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的運(yùn)作方式相同。然而，我們?cè)谟?jì)算機(jī)科學(xué)中學(xué)到的東西向我們展示了一種了解生物組織如何利用電力的方法，這是硬件和軟件之間的區(qū)別。我認(rèn)為這非常深刻，我認(rèn)為這是推動(dòng)計(jì)算機(jī)科學(xué)推動(dòng)信息技術(shù)革命的原因。

但我們需要的不僅僅是能夠搞亂硬件，我們實(shí)際上需要能夠控制決策制定以及細(xì)胞和組織正在使用的算法來(lái)弄清楚他們應(yīng)該做些什么。如果在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域沒(méi)有發(fā)生這種情況，我們?nèi)匀粫?huì)通過(guò)移動(dòng)電線進(jìn)行編程。這就是我們進(jìn)行信息技術(shù)革命的原因，因?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)家想出了如何在信息控制層面處理，而不是在硬件本身層面。生物學(xué)和醫(yī)學(xué)必須朝這個(gè)方向發(fā)展。

EG：你最近的一些突破是什么？

ML：

我們最近在再生扁蟲(chóng)模型中展示的一件事是，同一個(gè)身體可以存儲(chǔ)至少兩種不同的模式記憶。如果你看一下解剖學(xué)和分子標(biāo)記，這是完全正常的，你無(wú)法區(qū)分它們。但我們所做的是改寫(xiě)這種動(dòng)物將要用來(lái)決定如果在將來(lái)受傷的情況下如何再生的生物電模式。

如果你切掉這些改變過(guò)的蠕蟲(chóng)中的一個(gè)，它們將用兩個(gè)頭重新生成，每個(gè)末端一個(gè)，所以尾部會(huì)有一個(gè)頭部。對(duì)于發(fā)育和再生生物學(xué)來(lái)說(shuō)，這是完全的震撼，具有相同基因組的相同身體可以存儲(chǔ)多于一種可能的電學(xué)模式，其用作再生的記憶。您可以在不更改基因組序列的情況下執(zhí)行此操作。

我們還進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，用各種致畸物 - 化合物治療胚胎青蛙，這些化合物會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的胚胎腦缺陷，包括基因突變。我們可以使用我們對(duì)胚胎電模式的修改來(lái)拯救具有正常形狀的正常大腦，具有正常的基因表達(dá)和幾乎正常的行為，即使存在那些致畸物。這是再生醫(yī)學(xué)使用電狀態(tài)操縱來(lái)修復(fù)先天缺陷的原理的證明。

EG：您未來(lái)的工作有哪些實(shí)際應(yīng)用？

ML：

申請(qǐng)分為四大類。首先是識(shí)別和修復(fù)先天缺陷的能力。損傷的再生醫(yī)學(xué)應(yīng)該是另一種。第三個(gè)應(yīng)用將是癌癥。我們的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)發(fā)表了幾篇有趣的論文，表明你可以通過(guò)適當(dāng)管理生物電學(xué)來(lái)重新編程腫瘤。

最后一個(gè)應(yīng)用是合成生物學(xué)。目前，合成生物學(xué)主要在單細(xì)胞中完成，重新編程細(xì)胞以清除毒素并制造藥物等等。合成生物學(xué)的未來(lái)在于合成形態(tài)學(xué)。我們的想法是創(chuàng)造生活功能性人造生物機(jī)器。這可能是從移植文化中的器官生長(zhǎng)到制作以前從未存在的小生物機(jī)器人做任何事情的任何事情。

EG：這些實(shí)際應(yīng)用有多遠(yuǎn)？

ML：

我認(rèn)為這是不可能預(yù)測(cè)的，但為了給你一個(gè)通用范圍，我很確定其中一些應(yīng)用程序?qū)⒃谖磥?lái)十年內(nèi)推出。癌癥可能是一種懸而未決的果實(shí)。一些合成生物工程的東西肯定會(huì)在未來(lái)幾年上線。

肢體再生需要更長(zhǎng)的時(shí)間，但我也認(rèn)為這很有可能。出生缺陷的東西我希望在未來(lái)幾年看到一些重要的應(yīng)用。不過(guò)，我不是臨床醫(yī)生。我的實(shí)驗(yàn)室不做人工臨床工作，所以我們發(fā)現(xiàn)的一切都是基礎(chǔ)科學(xué)，我們依靠合作者和在生物醫(yī)學(xué)界面工作的人來(lái)獲取我們的發(fā)現(xiàn)并將其轉(zhuǎn)化為醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

重要的是，控制許多這些生物電過(guò)程的方法是通過(guò)靶向離子通道。所有針對(duì)離子通道的現(xiàn)有藥物 - 其中有許多 - 制作了一個(gè)非常強(qiáng)大的工具包。它們已被批準(zhǔn)用于人類，這意味著它們可以很容易地部署。

我們正在開(kāi)發(fā)一個(gè)AI平臺(tái)，可以幫助為特定目的挑選藥物。你將能夠描述你想要的結(jié)果，它將使用一套生物電模擬器和藥物數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)嘗試選擇能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)的藥物雞尾酒。一旦上線，這可能需要一兩年的時(shí)間，它將真正加快人們將這項(xiàng)研究轉(zhuǎn)向生物醫(yī)學(xué)的能力。