研究人员改造细菌，研制出活体晶体管

麻省理工学院（MIT）的研究人员改造出可充当晶体管的细菌，借此制作出活体 “电路板”，这种电路板可以打印在培养皿内的培养基上。

在电子电路中，晶体管相当于开关，可以开启或切断电流。而在研究人员搭建的生物电路里，细菌开关能够控制小分子物质的流动，向电路下游组件发送信号。该研究团队设计了两种不同的晶体管，还培育出三种细菌菌株，用于在晶体管之间传递信息，由此获得搭建几乎任意电路所需的基础组件。在这项新研究中，科研人员利用这些细菌细胞，制作出能够对两路或三路输入做加法运算、或是把一路输入信号发送至电路指定位置的电路。

“我们已经搭建出一些常用的基础计算机架构组件，依靠这五种菌株，就能实现任意运算操作。” 该论文第一作者、MIT博士后Hamid Doosthosseini表示。

研究人员希望借助这套技术，未来把这类电路涂布在植物叶片或者根系表面。这些生物电路可以完成计算，感知干旱、虫害侵袭等环境变化，并做出响应。

MIT生物工程系主任Christopher Voigt是这篇论文的通讯作者，该成果近期已正式发表。论文另一位作者为MIT前博士后Haorong Chen。

充当晶体管的细胞

设计合成生物电路时，研究人员通常会改造细胞，使其表达蛋白质与转录因子；这些物质相互作用完成任务，例如识别目标分子，继而触发特定输出产物的生成。

这类简易电路可以实现多种逻辑功能，但必须使用互不相同的转录因子，避免电路内部发生信号串扰。可适用于这类电路的转录因子数量有限，这就限制了单个细胞能够实现的电路复杂度。此外，在同一个细胞内搭载过多电路，还会加重细胞的蛋白合成负担。

在这篇新论文中，研究人员采用了全新思路：不再把整套电路塞进单个细胞，而是设计出可以作为晶体管使用的细胞。将这些晶体管以不同方式组合，就能搭建多种多样的电路。

为制造这种生物晶体管，研究人员选用了成团泛菌（Pantoea agglomerans），这种细菌常附着在包括植物在内的各类物体表面生长。科研人员利用该细菌制作出两种晶体管，均可被名为OC‑6的分子开启或关闭；其中一种在接收到该输入信号后开启，另一种则会关闭。

两种晶体管同时还会识别目标分子OC‑12。根据该分子是否存在、以及开关所处状态，晶体管会生成输出分子OHC‑14。

研究人员还利用三株成团泛菌制作出中继单元，将OHC‑14信号转换为可输入另一路晶体管的输出信号。依靠这些中继菌株，就可以像电子电路板一样，把各个晶体管相互 “布线” 连接。

举例来说，研究人员可以用两个能够识别OC‑12的晶体管搭建双向开关；依据开关输入信号，把信息发送至不同中继菌株，最终送入其他晶体管做进一步信号处理。

研究人员把细菌菌落打印在含有琼脂培养基的培养板上，以此搭建电路。各个菌落之间的打印间距约5毫米。信号只能传递到距离最近的菌落，再由该菌落继续向下传递，以此实现信号单向传输。

实现复杂运算

本研究中，研究人员演示了一种晶体管：根据它在电路布局里所处位置，可以执行多种逻辑运算，包括多输入逻辑、“或门”、“蕴含门”。研究人员还把多个晶体管组合，搭建更复杂的电路：可对两路信号做加法、同时处理多路信号，或是实现多路分解器功能 —— 接收一路输入信号，再依据控制信号，把它分发到多个输出通路中的某一路。

这套规模最大的加法电路，一共由24个相互连接的细菌菌落构成。“这项研究表明，把单个细胞实现的简单功能相互串联，就可以完成更加复杂的运算。从计算能力上来说，iPhone能实现的运算，这类生物电路理论上都可以做到。”Voigt说道。

这类细胞电路完成一次运算大约需要8小时，速度远不及电子电路。但研究人员表示，对于生物领域应用场景，这个时长完全可以接受。“我们并不是要取代计算机，而是把计算控制能力引入生物体系。如果细菌附着在植物根部，由植物本身完成计算，对于植物的生长周期来说，通宵完成一次简单运算就已经足够。”Voigt说。

如果应用于农业领域，该类电路可以和植物传感器结合，识别各类环境胁迫。一旦检测到特定输入信号，就可以触发对应响应，例如合成杀菌剂。