活细胞中的基因电路：可以进行复杂计算，治疗疾病
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引言
生物细胞和基因工程，一直是和生命健康相关的前沿科学。如今，这种科学也越来越多的和电子电路相结合，形成新的电路形式。现在，麻省理工学院的一组研究人员开发了一种新技术，它在活的细胞中，集成模拟和数字两种计算方式，让细胞可以形成基因电路，进行复杂的运算操作。
研究人员介绍
这项研究的领导者，是合成生物学的领导者，供职于麻省理工大学电子研究实验室，同时是电子工程，计算机科学，和生物工程专业的助理教授，Timothy Lu。他之前带领微生物学博士生Jacob Rubens一起做研究。
活细胞的运算方式
活细胞可以处理关于环境信号的复杂计算。这些计算可以是连续的或者模拟的，就像眼睛逐渐调整应对光线的改变。它们也可以是数字的，一种简单的打开后者关闭的处理方式，例如细胞启动自身的死亡。
合成生物学系统的运算方式
而合成生物学系统，根据不同应用场景，可能采取模拟或者数字的处理方式。这种合成的电路，在自然通信杂志的一篇论文中发表，能够测量模拟输入的级别，例如与疾病相关的特殊化学信号，并且判断它是否已经到达输出的级别，例如释放治疗疾病的药物。
根据研究人员的说法，在这种方式下，他们就像比较器一样的电子设备，使用模拟输入信号，并且把他们转化为数字输出。合成生物学的大部分工作，关注于数字技术，因为数字系统比较容易编程。
目前的挑战
然而，因为数字系统基于简单的二进制输出，例如0或者1，进行复杂的计算操作，需要使用大量的部件，这些很难在合成生物学系统中完成。
Lu说，数字是计算中的基本方式，你可以很容易地，从很简单的部件中获取智能，因为每个部件只做很简单的事情，但是如果你把他们全部放到一起，会形成十分智能的东西。但是，这需要你能够把许多这些部件放在一起，目前生物学中的挑战是，你不能像使用硅一样集成百万级的晶体管。
实现方式
研究人员开发了基于多个元器件的混合信号设备。一个阈值模块，由可以检测特殊模拟化学信号的级别的传感器组成。这个阈值模块，控制第二个部件重组酶基因的运算。它可以通过反相，轮流的打开或者关闭DNA片段，把它转化为数字输出。
如果化学浓度到达一定的级别，阈值模块计算重组酶基因，翻转DNA片段。DNA片段本身包含基因或者基因调控元件，他们然后可以改变期望的输出形式。
所以，这是我们采用模拟输入，例如化学浓度，然后把它转化为0或1信号，然后，使用可以进行翻转的DNA，放在一起进行数字计算。
目前，团队已经构建了模数转化电路，可以完成三值逻辑计算。设备可以只在响应高或者低浓度范围的输入时打开，并且能够产生两种不同输出。
应用价值
未来，电路可以被用来检测血糖水平，根据浓度来作出三种方式的不同响应。如果血糖等级过高，你会希望细胞制造胰岛素，如果血糖等级过低，你希望他们制造胰高血糖素，如果在中间级别，你不希望做任何事。
相似的模数转换器电路，也可以用于检测各种化学物质，只要简单的变换传感器即可。研究人员调研了使用模数转换器，检测肠道炎症级别的想法，例如，释放不同级别药物来治疗。
治疗癌症的免疫细胞，也可以使用这种工程方法进行改造，用于检测不同的环境输入，例如氧气或者肿瘤细胞溶解的水平，并且改变他们的治疗活动来响应。
同时，其他研究小组，则对于环境应用感兴趣，例如使用细胞监测水污染物的浓度。
研究小组最近建立了一个衍生公司，叫做Synlogic，现在正在尝试使用简单的电路版本，利用肠道益生菌来治疗肠道疾病。公司希望在未来12个月内，开展这些基于细菌的临床治疗尝试。
评述
对于细胞的相关电子计算科学，我之前也有过介绍，例如对细胞进行编程。它是使用Verilog语言，对于细胞进行编程的技术。而今天介绍的是使用活细胞，形成基因电路，通过操作DNA的方式进行计算。它在医疗和环境监测方面的巨大应用价值。
IntelligentThings，以后还会持续关注细胞相关的电子计算科学，也希望大家留下自己的看法和意见共同探讨。
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