近日，發(fā)表在《Nature Communications》上的一項(xiàng)新研究中，來自以色列理工學(xué)院和麻省理工學(xué)院的科學(xué)家共同合作，將電氣工程概念與生物工程工具結(jié)合在一起，首次在活細(xì)胞中創(chuàng)造出用于執(zhí)行人工神經(jīng)回路等復(fù)雜功能的細(xì)胞“生物計(jì)算機(jī)”。

研究團(tuán)隊(duì)通過將質(zhì)粒上的基因設(shè)計(jì)成一臺(tái)簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)，即人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。然后，將新方法與現(xiàn)有的基因工程方法相結(jié)合，設(shè)計(jì)了合成計(jì)算電路，并將神經(jīng)形態(tài)電子學(xué)的概念應(yīng)用到細(xì)菌細(xì)胞中，創(chuàng)造出可以使用人工智能算法訓(xùn)練的細(xì)菌細(xì)胞。這些細(xì)胞可以動(dòng)態(tài)重新編程，在執(zhí)行“或”與“和”功能之間進(jìn)行切換，以在不同條件下執(zhí)行不同操作。研究人員為了在活細(xì)胞中實(shí)施人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，定義了一個(gè)基于對(duì)數(shù)的感知器版本，稱為感知基因（圖 1a），其對(duì)數(shù)輸入輸出操作使其更適合生化反應(yīng)和基因的非線性特性規(guī)定。perceptgene 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)對(duì)數(shù)分類器，該分類器將所有輸入值漸進(jìn)地劃分為兩類輸出數(shù)據(jù)點(diǎn)（圖 1a，右）。

此外，研究人員成功利用細(xì)胞對(duì)梯度的自然感知特性，制造了一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這是一種能報(bào)告特定分子濃度是“低”“中”還是“高”的細(xì)胞，這種傳感器可以用于遞送正確劑量的藥物，包括癌癥免疫治療和糖尿病藥物。

總之，研究人員創(chuàng)建了多層感知基因電路，可以計(jì)算軟多數(shù)函數(shù)、執(zhí)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并實(shí)現(xiàn)三元開關(guān)。還創(chuàng)建了一個(gè)可編程的感知基因電路，其計(jì)算可以使用小分子歸納法從 OR 修改為 AND 邏輯。創(chuàng)建和控制細(xì)胞過程的能力為更復(fù)雜的編程鋪平了道路，為生物制造和治療領(lǐng)域提供了有價(jià)值的線索。