奧地利科學(xué)技術(shù)研究所(IST奧地利)的科學(xué)家通過(guò)將它們連接到計(jì)算機(jī)來(lái)控制個(gè)體細(xì)菌的行為。包括實(shí)驗(yàn)生物學(xué)家Remy Chait和數(shù)學(xué)家Jakob Ruess(現(xiàn)在法國(guó)巴斯德研究所和Inria Saclay研究所)以及Calin Guet和Gasper Tkacik教授在內(nèi)的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)利用該設(shè)置建立了部分生活和部分?jǐn)?shù)字化的遺傳電路。在實(shí)驗(yàn)的概念證明中，它們使細(xì)菌中的基因表達(dá)振蕩，并通過(guò)調(diào)節(jié)個(gè)體細(xì)菌之間的數(shù)字通信來(lái)控制振蕩模式。這種生物數(shù)字混合技術(shù)的潛在應(yīng)用可以使調(diào)試復(fù)雜的生物系統(tǒng)成為可能，就像調(diào)試復(fù)雜的計(jì)算機(jī)代碼一樣：

當(dāng)合成生物學(xué)家想要設(shè)計(jì)能夠完成某項(xiàng)任務(wù)的微生物作為其代謝周期的一部分時(shí)，例如產(chǎn)生抗癌藥物或抗生素，他們通常必須對(duì)原始生物體進(jìn)行大量改變。這些變化中的每一個(gè)都有一些影響，可能會(huì)干擾所有其他變化的影響，從而改變最終結(jié)果。“即使你了解不同部分的作用，你也不知道將它們放在一起會(huì)發(fā)生什么，”Remy Chait解釋道。“它們之間存在反饋，使整個(gè)電路的行為無(wú)法預(yù)測(cè)。”

這個(gè)問(wèn)題的潛在解決方案來(lái)自軟件開(kāi)發(fā)，稱(chēng)為單元和集成測(cè)試。在這種方法中，每個(gè)組件都單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試，并研究其與周?chē)h(huán)境的相互作用。最好的方法是模擬虛擬空間中的環(huán)境，讓組件與虛擬世界交互。正是這種方法，研究人員現(xiàn)在提出也適用于生物系統(tǒng)。“生物系統(tǒng)很復(fù)雜，如果我們可以像計(jì)算機(jī)代碼一樣調(diào)試它們，我們會(huì)受益。在單元和集成測(cè)試中，您可以模擬環(huán)境并單獨(dú)插入每個(gè)組件以驗(yàn)證它們是否按預(yù)期運(yùn)行。然后將它們組合在一起通過(guò)這種方式，您將看到反饋和干擾在哪一點(diǎn)開(kāi)始干擾系統(tǒng)，并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，“Remy Chait說(shuō)。通過(guò)迭代該方法，可以穩(wěn)定地減少虛擬部分直到系統(tǒng)再次完全生物學(xué)，并且具有期望的功能。

研究人員證明了具有生物數(shù)字振蕩器的生物數(shù)字混合動(dòng)力車(chē)的可行性。在他們的設(shè)置，修改大腸桿菌細(xì)胞產(chǎn)生一種發(fā)藍(lán)紫色熒光的蛋白質(zhì)。這種彩色光形成與數(shù)字面的接口。每六分鐘，計(jì)算機(jī)測(cè)量細(xì)胞產(chǎn)生多少光，并按比例累積虛擬信號(hào)分子。當(dāng)信號(hào)超過(guò)某一閾值時(shí)，關(guān)閉細(xì)胞產(chǎn)生熒光蛋白。這是通過(guò)將紅色或綠色光作為“關(guān)閉”或“開(kāi)啟”信號(hào)投射到光敏單元上并因此將數(shù)字組件連接回電路的活動(dòng)部分的投影儀來(lái)完成的。“細(xì)胞與模擬環(huán)境相互作用。它們的作用會(huì)影響計(jì)算機(jī)的作用，計(jì)算機(jī)的作用會(huì)影響細(xì)胞的反應(yīng)。如果你知道星際迷航你肯定聽(tīng)說(shuō)過(guò)Holodeck。我們建立的基本上是一個(gè)簡(jiǎn)單的Holodeck微生物基因。“

當(dāng)研究人員測(cè)試他們的混合電路時(shí)，細(xì)胞群以藍(lán)紫色發(fā)光 - 并且發(fā)光振蕩，盡管各個(gè)細(xì)菌之間存在差異。但研究人員希望細(xì)菌同步振蕩，因此他們改變了數(shù)字組件并在細(xì)菌之間建立了虛擬通信網(wǎng)絡(luò)。在這種設(shè)置中，一些虛擬信號(hào)在鄰居之間分布，并且細(xì)菌群顯示出不同類(lèi)型的集體振蕩。

研究人員平臺(tái)的另一個(gè)應(yīng)用是對(duì)單個(gè)細(xì)胞的反饋控制，這些細(xì)胞引導(dǎo)它們沿著預(yù)先指定的熒光基因表達(dá)軌跡。通過(guò)這種方式，他們可以使一組細(xì)胞隨著時(shí)間的推移追蹤圖片或字母(見(jiàn)插圖)。