MIT 點樣用工程細菌砌出可以重新配置嘅生物電路？

MIT 研究人員將工程化嘅 Pantoea agglomerans 變成生物電路嘅基本組件。呢套系統唔係好似一般電子電路咁傳送電子，而係由細菌菌落偵測、製造同傳遞會擴散嘅化學訊號，令印刷喺培養基上嘅活細胞可以執行邏輯及算術運算。

最關鍵嘅突破係：電路唔需要每次都重新設計 DNA。研究人員只要改變不同菌落嘅位置及排列，就可以令同一批工程菌執行另一種運算。

細菌點樣扮演「電晶體」同「電線」？

研究團隊設計咗兩種似電晶體嘅細菌菌株，並以小分子訊號控制佢哋：

• 一種菌株會受輸入分子 OC-6 啟動，另一種則會被 OC-6 抑制。
• 兩種菌株亦會感應 OC-12；當內部條件符合要求時，就會產生化學輸出 OHC-14。
• 另外三種接力菌株會處理 OHC-14，再將訊號轉換成下游電晶體菌落可以識別嘅化學訊號。

電子電路入面，電線負責將訊號由一個組件帶到另一個組件；喺呢套活體電路入面，則由接力菌落喺生長培養基中傳遞分子訊息，發揮類似「接線」嘅作用。

呢種模組化設計，亦避開咗將大量功能全部塞入單一細胞嘅問題。每增加一項調控功能，細胞就要製造更多相關分子機械；功能太多時，轉錄因子可能互相干擾，亦會令細胞承受沉重嘅蛋白質生產負擔。將工作分畀不同菌落後，每種菌株只需要處理自己嗰一部分任務。

程式碼唔只喺 DNA，亦喺菌落排列方式

研究人員將細菌菌落印成瓊脂培養基上嘅一個個小點，鄰近菌落相距大約 5 毫米。呢種間距有助於引導化學訊號由一個菌落傳到下一個菌落，因此每個菌落嘅位置及種類，都會影響資訊點樣流動。

實驗流程由設計印刷版面開始，之後先培養工程菌株，再將佢哋以指定位置放到瓊脂上。研究方法亦包括將菌株喺選擇性瓊脂上培養，以及準備喺多孔板格式中進行印刷。

換句話講，重新配置電路唔代表要重寫細菌 DNA，而係改變空間圖案：邊個位置放邊種菌株，以及哪些菌落互相相鄰。部分「程式設計」工作於是由基因工程轉移到實體組裝上。

實驗做到咩程度？

研究人員逐步測試更複雜嘅多細胞運算架構，包括：

• OR 邏輯：幾個輸入之中，只要有任何一個出現，就可以產生輸出。
• 蘊涵類運算：根據條件關係組合不同輸入。
• 1 對 4 解多工器：根據控制訊號，將一個輸入導向四個輸出其中之一。
• 算術電路：包括半加法器及完整加法器排列。

完整加法器示範使用咗 24 個印刷菌落，顯示運算可以分散喺一群互相合作嘅細菌之間，而唔需要迫晒入一個基因功能過度繁重嘅細胞。

計一次要 8 個鐘，點解仍然有用？

呢類細菌電路每次計算大約需要 8 個鐘。相比之下，矽晶片嘅邏輯運算通常喺納秒甚至更短時間內完成，兩者速度相差幾個數量級。因此，呢套系統並唔係用嚟取代處理器，亦唔適合一般數碼運算。

但對生物應用而言，8 個鐘未必不可接受。植物乾旱壓力、蟲害及疾病發展，本身就可能以數個鐘至數日嘅尺度發生。只要活體電路可以喺相若時間內感應到指定訊號組合，再啟動適當嘅生物反應，慢速反而未必係致命缺點。

所以，呢項技術交換嘅唔係單純「速度」，而係換取直接融入生物環境嘅能力：喺需要反應嘅位置，細菌可以自行感應化學條件，並可能觸發後續生物輸出。

植物根部或葉片可能係未來應用場景

研究人員提出，呢類電路將來或可應用喺植物相關環境。例如，放置喺根部或葉片嘅電路，可以同時分析乾旱、昆蟲攻擊或病原體相關訊號，只有喺偵測到特定組合時先作出反應。

一個假設性方向係，觸發製造殺真菌化合物或其他保護植物嘅輸出。不過，呢啲仍然係研究方向，並非已經示範完成嘅農業產品；其價值在於，即使化學運算遠慢過電子運算，仍然可以直接喺生物現場進行感應同控制。

合成生物學由「塞入一個細胞」轉向「分工再排陣」

傳統基因電路設計往往會問：可以喺單一細胞入面加入幾多功能？MIT 呢套架構提出另一個問題：邊啲功能應該分散喺不同細胞群組，而呢啲群組又應該點樣排列？

喺呢個平台上，基因工程決定每種菌株可以做啲乜；印刷位置就決定佢哋點樣互相連接。研究團隊因此可以用一小套專門化組件，砌出唔同生物邏輯，而唔需要每設計一種電路就重新製造一種全新菌株。

研究部分經費由美國國防高等研究計劃局（DARPA）及美國情報高等研究計劃活動（IARPA）資助。