MIT工程师连接细菌打造活体晶体管电路

麻省理工学院的研究人员成功将细菌改造成晶体管，并据此创建出可打印在培养皿琼脂培养基上的活体"电路板"。

在传统电路中，晶体管充当电流的开关。而在研究人员构建的生物电路中，细菌开关负责控制小分子的流动，这些小分子向下游电路元件传递信号。

研究团队设计了两种晶体管和三种细菌菌株，后者负责在晶体管之间传递信息。这五种基本单元为设计几乎任何类型的电路提供了所需的构建模块。在最新发表的研究中，他们利用这些细胞构建出能够对两个或三个输入信号求和、或将一个输入信号定向传送至电路特定位置的电路。

"我们已经搭建了一些常见的计算机架构组件，但理论上，仅凭这五种菌株就能实现任意运算。"该研究的第一作者、麻省理工学院博士后Hamid Doosthosseini表示。

研究人员希望借助这一方法，未来开发出能够覆盖植物叶片或根系的电路，使其具备感知干旱、病虫害侵袭等环境变化并作出响应的计算能力。

该研究由麻省理工学院生物工程系主任Christopher Voigt担任通讯作者，论文近期发表于《自然化学生物学》期刊，前麻省理工学院博士后陈浩荣也是论文作者之一。

以细胞充当晶体管

在合成生物学电路设计领域，研究人员通常通过改造细胞，使其表达蛋白质和转录因子，利用这些分子间的相互作用来完成特定任务，例如感知目标分子后触发特定产物的生成。

这类简单电路虽然能执行多种逻辑功能，但必须使用各自独立的转录因子以避免电路内部的串扰。由于可用的转录因子数量有限，单个细胞内可实现的电路复杂度也受到制约。此外，在一个细胞中集成过多电路会过度消耗细胞的蛋白质合成资源。

在新研究中，研究人员另辟蹊径：不再将整个电路集成于单个细胞，而是将细胞设计成能充当晶体管的功能单元，再以不同方式组合这些晶体管，构建出多种电路。

研究人员选择了一种名为聚团泛菌的细菌——这种细菌常见于植物等各类表面。他们以此为基础制作了两种晶体管，均可由一种名为OC-6的分子控制开关：一种晶体管在该分子作用下被激活，另一种则被关闭。两种晶体管还能同时检测另一种目标分子OC-12的存在。根据OC-12是否存在以及开关状态的不同，晶体管会产生一种名为OHC-14的输出分子。

研究人员还利用三种聚团泛菌菌株构建了信号中继单元，将OHC-14信号转换为可输入下一个晶体管的格式。借助这些中继菌株，他们能够像连接电子电路板一样将晶体管"连线"串联。

例如，他们可以用两个检测OC-12的晶体管构建一个双向开关，根据控制输入将信号传递至不同的中继菌株，最终输入后续晶体管进行进一步处理。

电路的物理实现方式是：将细菌菌落打印在含有琼脂的平板培养基上，相邻菌落间距约5毫米。这一设计确保信号只能传递至最近的菌落，再由该菌落依次向下传递，从而实现信息的单向流动。

复杂运算能力

在这项研究中，研究人员展示了一种能根据其在电路布局中所处位置执行多种逻辑运算的晶体管，包括"多输入"门、"或"门和"蕴含"门。他们还将多个晶体管组合，构建出更为复杂的电路，能够对两路信号求和、同时处理更多信号，或作为解复用器使用——即接收一路输入信号后，根据控制信号将其定向输出至若干目标之一。

其中规模最大的电路实现了两路输入相加，共由24个细菌菌落相互连接构成。

"这项工作证明，通过将单个细胞中较简单的功能相互连接，我们可以实现更复杂的运算功能。从计算层面来看，iPhone能做的事情，这些电路原则上也能实现。"Voigt说道。

由这类细胞构成的电路每次计算约需八小时，远慢于计算机电路。但研究人员表示，对于生物应用场景而言，这一时间完全在合理范围内。

"我们并不是要取代计算机，而是要把计算控制能力引入生物学领域。如果是在植物根系上运行的细菌，或者由植物本身来执行运算，那么在一个生长季内，只需在一夜间完成一次简单计算，速度已经足够了。"Voigt说。

若这项技术最终应用于农业，此类电路可被施用于植物根系，用于检测各类胁迫信号。一旦检测到特定输入，便可触发相应的响应机制，例如合成杀真菌剂。

本研究部分由美国国防高级研究计划局和美国情报高级研究计划局资助。

Q&A

Q1：麻省理工学院的活体细菌电路是怎么运作的？

A：研究人员将聚团泛菌改造成晶体管，通过分子OC-6控制开关的开启或关闭，同时检测分子OC-12是否存在，并产生输出分子OHC-14。三种中继菌株负责在晶体管之间传递信号，模拟电子电路中的"连线"。所有细菌菌落被打印在琼脂培养基上，相邻间距约5毫米，确保信号单向逐级传递。

Q2：细菌电路和普通计算机电路相比，速度差距有多大？

A：差距非常显著。细菌电路每次运算约需八小时，而普通计算机电路的运算速度以纳秒甚至皮秒计。不过研究人员表示，细菌电路并非为了取代计算机，而是面向生物场景，例如在植物一个生长季内完成环境监测与响应，八小时的计算时间完全能满足需求。

Q3：细菌电路未来在农业上有哪些具体应用？

A：研究人员设想将这类电路施用于植物根系，使其具备感知干旱、病虫害或真菌侵染等环境胁迫的能力。当电路检测到特定信号后，可自动触发响应，例如合成杀真菌剂，从而实现对植物健康状态的智能监控与主动保护，无需人工干预。