- 麻省理工學院研發細菌實現生物電路計算功能。
- 細菌作為生物晶體管，能執行邏輯運算。
- 模組化設計解決合成生物學的限制。
- 研究希望將電路應用於植物以檢測環境壓力。
麻省理工學院的研究人員成功設計了一種能執行基本開關功能的細菌，這一突破使他們能夠從活細胞建造生物電路，而非依賴電子元件。該團隊在培養皿中的瓊脂上印刷了細菌羣落，化學信號在這些羣落之間傳遞，允許細胞處理信息並執行邏輯運算。這種方法最終有望將計算能力直接引入生物環境中。研究人員構想在植物的葉子或根部放置細菌，檢測壓力並觸發反應，無需傳統電子設備。
細菌的生物晶體管功能
細菌成為開關。研究團隊使用了 Pantoea agglomerans，這是一種常見於植物及其他表面的細菌。他們工程化了兩種細菌版本，使其能作為生物晶體管運作。一種晶體管在接收到化學信號時開啟，另一種則執行相反功能。兩者均可檢測另一種分子並產生不同的化學輸出。額外的三種細菌株作為晶體管之間的中繼，將一種化學信號轉換為下一個電路組件能識別的信號。這種設置使研究人員能將單個細胞連接成更大的網絡。
電子電路通過導線傳輸電信號，而這些生物電路則在細菌羣落之間移動分子。
研究團隊在瓊脂上印刷了細菌羣落，並保持相鄰細胞之間約 5 毫米的距離。這種間隔有助於信號朝向預期的下游羣落移動。研究人員可隨時更改電路的佈局，而無需重新設計每一個組件。活細胞執行邏輯。研究人員展示了使用細菌晶體管的多種邏輯功能。他們的電路能處理多個輸入並將信號導向特定輸出。一個系統利用 24 個細菌羣落將兩個輸入相加，其他配置則可執行 OR 和假言運算。團隊還建造了一個解多路器，此電路接收一個輸入信號，並根據另一個控制信號將其導向不同的目的地。
模組化設計的優勢
模組化設計解決了傳統合成生物學的一項限制。研究人員通常將多種功能放置在單一細胞內，這種策略最終可能使細胞的蛋白質製造機制過載，並在不同生物組件相互幹擾時造成問題。將功能分離至多個細胞提供了朝向更複雜生物計算的另一途徑。這些電路的運算速度仍然遠低於電子計算機。一個細菌電路需要約八小時才能完成一個計算。對於與生物過程相關的應用而言，這一限制的重要性相對較低。植物的運作涉及數小時、數天或整個生長季節。
麻省理工學院的研究人員希望最終將這些電路放置於植物的根部或葉片上。這些細菌能檢測與乾旱、害蟲或疾病相關的信號。一旦檢測到條件，便可觸發生物反應。其一個提議的應用是，在電路檢測到植物壓力後，生產一種殺真菌劑。麻省理工學院生物工程系主任克里斯多夫·沃伊特（Christopher Voigt）表示：「我們並不是想取代計算機，目標是為生物系統提供自身的計算控制。」這項研究指向了一種不同的計算架構。
研究人員開始將計算直接放入生物系統中，而不是將生物學引入電子系統。該研究發表於《自然化學生物學》，並獲得了 DARPA 和 IARPA 的部分資助。
生物電路的未來應用潛力
這項研究展示了將計算能力整合到生物系統中的潛力，特別是在植物中應用生物電路以檢測環境變化。透過細菌的生物晶體管，研究人員能夠克服傳統合成生物學的限制，並朝向更複雜的生物計算發展。雖然運算速度仍低於電子計算機，但在生物過程中，這一速度限制可能不會影響其實際應用。這項技術的發展可能為未來的環境監測和農業管理提供創新的解決方案。