MIT 如何用細菌打造可重新配置的生物電路

MIT 研究人員把工程化的 Pantoea agglomerans 變成生物電路的模組化零件。這些細菌不像傳統電子元件那樣傳導電子，而是偵測、製造並傳遞會在培養基中擴散的化學訊號，讓排列好的活細胞能執行邏輯與算術運算。

這項工作的關鍵，不只是讓細菌「計算」，而是讓電路可以透過改變菌落位置來重新配置。研究人員能重複使用同一批工程菌株，改變它們的排列方式，就能設計不同的計算功能，不必每次都重新編寫遺傳程式。

細菌如何扮演電晶體與導線？

研究團隊建立了兩種由小分子訊號控制、類似電晶體的細菌菌株。其中一種會受到輸入分子 OC-6 啟動，另一種則會受到 OC-6 抑制。兩者也都能感測 OC-12，並在細胞內部條件符合時產生化學輸出 OHC-14。

另外三種中繼菌株會處理 OHC-14，將它轉換成下游電晶體菌落可以辨識的化學訊號。在電子電路中，導線負責在元件之間傳遞訊號；在這套生物電路裡，則由中繼菌落透過生長培養基傳遞分子訊息，發揮類似導線的作用。

這種模組化設計也有助於解決單一細胞內遺傳電路過度複雜的問題。每增加一項調控功能，細胞就需要更多分子機制；若把太多功能集中在同一個細胞，可能造成轉錄因子之間互相干擾，也會加重細胞製造蛋白質的負擔。讓不同菌落各自負責一小部分工作，便能把功能分散開來。

電路圖不只畫在紙上，而是排在培養基上

研究人員將細菌菌落以一個個小點列印在瓊脂上，相鄰菌落之間的距離約為 5 毫米。這種空間配置有助於讓化學訊號從一個菌落傳到下一個菌落，因此菌落的位置與種類共同決定了訊息的流向。

實驗流程先規劃列印布局，再培養工程菌株，最後將它們沉積到瓊脂上。實驗方法包括在含選擇性抗生素的瓊脂上培養菌株，並準備好以多孔板格式進行列印。

因此，重新配置電路的方式就是改變空間排列：在每個位置列印哪一種菌株，以及哪些菌落彼此相鄰。每次設計新電路時，不必重新改寫底層 DNA；部分「程式設計」工作轉移到了實體組裝上。

實驗展示了哪些運算？

研究人員以這套架構測試了由簡到繁的多種運算，包括：

• OR 邏輯：只要多個輸入中有一個符合條件，就能產生輸出。
• 蘊涵類運算：根據輸入之間的條件關係進行邏輯判斷。
• 1 對 4 解多工器：依照控制訊號，將一個輸入導向四個輸出中的其中一個。
• 算術電路：包括半加器與全加器配置。

其中，全加器示範使用了 24 個列印菌落。這說明運算不必局限於一個負荷過重的細胞，也可以分散在多個彼此合作的細菌族群中完成。

8 小時對電腦來說很慢，對生物系統卻可能剛剛好

這些細菌電路完成一次計算約需 8 小時。相較之下，矽基電子電路能在快得多的電子時間尺度上執行邏輯運算，因此這套系統並不是要取代處理器或進行一般數位運算。

但對生物應用而言，8 小時未必不可接受。植物乾旱壓力、害蟲危害或疾病發展通常以數小時至數天計算；若系統能在這段時間內辨識多個環境訊號，並啟動相應的生物反應，速度就可能符合實際需求。

換句話說，這項技術犧牲的是運算速度，換來的是與生物環境直接整合的能力。活體電路理論上可以在需要反應的地方，就地偵測化學條件並觸發生物輸出。

未來可能放在植物根部或葉片上

研究人員提出，植物相關環境可能是這類系統的應用方向之一。若電路能部署在根部或葉片上，便可整合與乾旱、昆蟲攻擊或病原體相關的訊號，只在偵測到適當組合時作出反應。

例如，未來系統可能觸發殺真菌化合物或其他植物保護性輸出的生成。不過，這些仍屬研究方向，尚未成為已驗證的農業產品；它們反映的是化學運算的潛在價值：即使比電子運算慢很多，只要能在生物現場完成感測與反應，仍可能具備用途。

合成生物學的設計思路正在改變

傳統遺傳電路設計常問的是：一個細胞最多能塞進多少功能？MIT 這套架構提出了另一個問題：哪些功能應分散到不同細胞族群，又應該如何排列這些族群？

在這種設計中，遺傳工程決定每種菌株「能做什麼」，列印布局則決定它們「如何連接」。研究團隊因此不必為每一種邏輯設計都打造全新的菌株，而是能利用少量專門化元件，組合出可重新配置的生物平台。

這項研究部分由美國國防高等研究計畫署（DARPA）及美國情報高等研究計畫活動署（IARPA）資助。