麻省理工学院的工程师用细菌制造出“活体电路板”

麻省理工学院的工程师将细菌改造为类似晶体管的功能单元，从而能够构建可“打印”在培养皿生长介质上的活体“电路板”。

在传统电子学中，晶体管充当开关，控制电流是否流通。在麻省理工学院开发的生物系统中，经过工程改造的细菌通过调控携带信息的小信号分子向电路其他部分的移动，发挥着类似的作用。

该团队创造了两种细菌晶体管，以及三种充当它们之间中继器的细菌菌株。这五种菌株共同构成了一个灵活的工具箱，可以组合成多种不同的电路设计。在这项新研究中，研究人员利用该系统构建了能够组合两个或三个输入信号的电路，以及将输入信号引导至电路内指定目的地的电路。

“我们已经构建了一些常用的初始计算机体系结构组件，但任何运算都可以用这五种菌株来构建，”麻省理工学院博士后、这项新研究的第一作者哈米德·杜斯特霍塞尼（Hamid Doosthosseini，博士25届）表示。

活体电路有望添加到植物上

研究人员最终希望创造出可以放置在植物叶片或根系上的生物电路。这些电路可以处理有关环境条件变化的信息，包括干旱或害虫侵袭，然后帮助触发适当的响应。

麻省理工学院生物工程系主任克里斯托弗·沃伊特（Christopher Voigt）是该论文的资深作者，论文近期发表于《自然·化学生物学》（Nature Chemical Biology）。前麻省理工学院博士后陈浩荣（Haorong Chen）也是该论文的作者之一。

将细胞转变为生物晶体管

合成生物学电路通常通过改造细胞，使其产生以特定方式相互作用的蛋白质和转录因子来构建。例如，一个电路可以检测目标分子，然后激活特定产物的生成。

这些系统能够执行多种逻辑运算，但面临着重要的局限性。为了防止电路内部发生不必要的相互作用，研究人员通常需要为不同功能使用不同的转录因子。由于可用的合适转录因子数量有限，单个细胞内电路能复杂到什么程度存在上限。在一个细胞中塞入过多电路还会给细胞制造蛋白质的机制带来压力。

麻省理工学院的团队采用了不同的方法。他们不是将整个电路置于一个细胞内，而是将单个细胞改造为类似晶体管的组件。然后这些细胞可以按不同组合排列，以构建更广泛的电路。

对于晶体管部分，研究人员使用了一种名为成团泛菌（Pantoea agglomerans）的细菌，这种细菌通常生长在包括植物在内的各种表面上。他们设计了两种形式的细菌晶体管，均由一种名为OC-6的分子控制。一种被OC-6开启，另一种则被OC-6关闭。

每个晶体管还能检测另一种分子OC-12。根据OC-12是否存在以及晶体管是否处于激活状态，细胞会产生一种名为OHC-14的信号分子。

将细菌菌落连接起来

该团队还改造了三种成团泛菌菌株，使其充当生物中继器。这些菌株将OHC-14信号转换为新的输出，然后可以传递给另一个晶体管。通过这种方式，研究人员可以像电子电路板的布局一样，将细菌组件“接线”连接起来。

一种可能的排列方式是双向开关。两个晶体管可以检测OC-12，然后根据一个独立的开关输入，将该信息路由到不同的中继菌株。信号随后可以进入更多晶体管，继续处理信息。

为了实际构建电路，研究人员将细菌菌落打印到含有琼脂（一种生长介质）的培养板上。相邻菌落之间的距离约为5毫米。

这个间距很重要，因为它限制了每种化学信号能够传播的距离。信号只能到达最近的菌落，后者再将信息传递给下一个组件。这就形成了一条受控路径，使信息能够沿单一方向在电路中流动。

细菌电路执行逻辑运算

研究人员证明，单个晶体管可以根据其在电路中的位置执行多种逻辑运算，包括“多输入”、“或”和“蕴含”门。

他们还将晶体管组合成更高级的系统。这些电路能够将两个信号相加、同时处理更多信号，并发挥信号分离器（demultiplexer）的功能。信号分离器接收一个输入信号，并根据控制信号将其引导至多个可能输出中的一个。

研究中展示的最大电路包含24个相互连接的细菌菌落，其设计功能是将两个输入信号相加。

“这项工作表明，我们可以通过将单个细胞中更简单的功能连接起来，实现更复杂的功能，”沃伊特说。“从计算角度来看，你的iPhone能做到的任何事情，这些电路也都能做到。”

具有生物用途的“慢速计算”

这些活体电路的速度比电子计算机慢得多。每次计算大约需要八小时才能完成。

然而，对于该团队设想的生物应用类型来说，这种速度可能绰绰有余。

“我们并不是要取代计算机，而是要将计算控制引入生物学。如果你在植物根部有细菌，或者植物本身在执行计算，那么相对于一个生长季节而言，一夜之间完成一个简单计算已经足够快了，”沃伊特说。

在农业领域，这类电路最终可能被放置在植物根部，以检测不同形式的胁迫。当检测到特定信号时，电路可以触发生物响应，例如产生杀菌剂。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！