科学家揭开DNA计算与记忆的神秘“几何密码”

我们体内发现了一种新的语言，这种语言不是用DNA的字母书写的，而是刻在其形状中。

几十年来，科学家们相信生命的本质仅仅由四种化学碱基构成：A、C、T和G。它们共同构成了遗传密码，这段生物‘文本’定义了我们的身份。

但来自西北大学的新研究表明，事情并不止于此——还有一种基于几何而非化学的第二种语言。

这项研究是由生物医学工程师瓦迪姆·巴克曼领导的，揭示了DNA的三维物理结构中蕴含着一种‘几何密码’——一种使细胞能够进行计算、记忆和适应的系统。

“与其说我们是基于固定遗传指令集的预设剧本，不如说我们人类是活生生的、有呼吸的计算系统，这些系统在数百万年中不断演变，不断变得更加复杂和强大，”巴克曼说。

巴克曼是西北大学麦考密克工程学院的教授，他称这一发现为揭示了让基因组像活着的微处理器一样运作的“蓝图”。

他的团队，包括伊戈尔·斯莱费尔、卢阿伊·阿尔马萨拉和凯尔·麦奎里，解码了DNA的形状如何影响基因行为，而不仅仅是DNA的序列。

几何如何书写记忆

在每个细胞内部，DNA折叠成纳米级的“包装域”，形成物理记忆节点，这些节点能够存储和稳定遗传活动。

“我们正在学习如何阅读和书写细胞记忆的语言，”Szleifer说。“这些‘记忆节点’是像微处理器一样的活体物理对象。”

这些结构并不是随机的。经过数百万年的演化，自然似乎已经优化了基因组的形状，使其在存储和访问信息时更加高效。

这种几何结构甚至可能解释复杂生物是如何如此快速地进化的——不是通过发明新基因，而是通过重新排列现有基因的使用方式来实现的。

巴克曼认为，这种几何语言可能是生物学和计算之间的桥梁。“从时间的角度看，”他说，“生命从单细胞生物迅速发展到拥有大脑的生物。仔细观察时，人工智能的规则反映了基因组几何学背后的计算规则。”

细胞可以讲述的故事

这一发现改变了科学家对进化和疾病的看法。随着细胞老化，它们的几何“语言”可能会变得不准确，从而导致癌症或神经退行性疾病等问题。

“与其说是遗传学的难题，不如说几何代码使细胞能够构建复杂的组织，比如说大脑和皮肤，”阿尔马萨拉说。“但随着年龄的增长，这种语言的准确性下降了。”

理解这个隐藏的代码，可能会为修复或重写细胞记忆开辟新的方法。

“下一步就是要全面了解几何代码的工程原理，这样我们才能修复失调的细胞记忆，或者创造全新的记忆，”巴克曼说。

这项研究的标题为“人类基因组中内含子、基因间段和外显子的几何编码的位置，”于10月27日发表在期刊《先进科学》上。