細菌「變身」活體晶體管 新研究有望讓生物擁有計算機能力

#生物或將擁有計算機能力# 【細菌「變身」活體晶體管 新研究有望讓生物擁有計算機能力】據美國《科學日報》網站9月4日報導，麻省理工學院的研究人員對細菌進行了基因工程改造，使其像晶體管一樣工作，從而創造出可被打印到培養皿內生長基質上的活體「電路板」。

在傳統電子學中，晶體管充當開關，控制著電流是否可以通過電路。在麻省理工學院的系統中，經過改造的細菌細胞通過調節小型信號分子的運動來發揮類似作用。這些分子繼而將信息傳遞給生物電路中的其他組件。

研究人員創造了兩種類型的細菌晶體管，並製造了另外三種細菌菌株來充當它們之間的中繼站。這五種菌株共同構成了一套模塊化組件，可以通過不同排布搭建幾乎任何類型的電路。在這項新研究中，研究團隊展示了能對兩到三個輸入信號進行加法運算，以及能將一個輸入信號定向引導到選定的目標位置的電路。

麻省理工學院博士後研究員、該研究的第一作者哈米德·杜斯特霍辛尼說：「我們已經構建了一些常用的基礎計算機架構組件，而任何運算都可以用這五種菌株來實現。」

一種潛在用途是將這些活體電路放置在植物的葉片或根部。在那裡，細菌可以處理環境信息，幫助植物發現並應對幹旱或蟲害等環境脅迫。

麻省理工學院生物工程系主任祖斯迪斯·沃伊特是這篇論文的資深作者。該論文最近發表在《自然-化學生物學》雜誌上。

合成生物學電路通常是通過改造細胞來構建的，這些細胞能夠產生相互作用的蛋白質和轉錄因子。這些系統可以接受編程來執行諸如檢測特定分子並產生特定反應之類的任務。

這類電路可以執行不同的邏輯功能，但它們的複雜性有限。研究人員通常需要不同的轉錄因子來進行不同的運算，以避免信號相互干擾。由於可用的合適轉錄因子數量有限，單個細胞內電路的複雜程度實際上存在上限。在一個細胞內塞入過多的電路還會使其蛋白質合成機制不堪重負。

麻省理工學院的研究團隊採用了不同的方法來解決這個問題。他們沒有將整個電路置於單個細胞內，而是對單個細胞進行改造，使其成為類似晶體管的組件，並以不同的方式將它們連接起來。

研究人員發現，同一個細菌晶體管可以根據其在電路中的位置不同執行多種邏輯運算，包括「多輸入門」、「或門」和「蘊涵門」。

通過連接多個晶體管，該團隊還創建了更複雜的系統。這些電路可以將兩個信號相加，同時處理多個信號，或者充當「解複用器」。解複用器會接收一個輸入信號，並根據另一個獨立的控制信號，將這個信號路由到多個可能的目標位置之一。

沃伊特說：「這項工作表明，我們可以通過將單個細胞中較簡單的功能連接起來，以實現更複雜的功能。從計算的角度來看，你的iPhone能做到的，這些電路都能做到。」

然而，速度方面存在顯著差異。細菌電路執行每次計算大約需要花八個小時，遠遠超過電子計算機所需的時間。不過，研究人員表示，就生物應用而言，這樣的速度仍然具備實用價值。

沃伊特說：「我們不打算取代計算機，而是將計算控制引入生物學。如果植物根部有細菌，或者植物本身要進行計算，那麼相對於一個生長季而言，通宵完成一項簡單的計算已經足夠快了。」（編譯/朱捷）