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工程细菌正在帮助我们为生活计算机增添记忆力

2019-01-18 09:51:07 • 来源：

现代社会建立在硅芯片上。如果不将这些微小的塑料板嵌入文明结构中，几乎不可能想象生活。但是，因为最广泛意义上的计算机只是信息处理机器，所以它们不必由硅构建。我们可以将大脑，细菌，DNA分子甚至整个宇宙本身视为计算机。

工程细菌正在帮助我们为生活计算机增添记忆力

许多研究人员正在研究这些自然系统的计算能力。科学家们正试图修改这些生物计算机并利用其物质特性，而不是承担复制生物体内部进化的精密分子机器的巨大挑战。这可以让我们建立生物机器人生产药物或清理污染。

但我们仍然缺少的一件事是永久性计算机内存的可靠生物版本。我们需要一种方法来构建生物计算结果的分子记录，因此结果可以比产生它们的活细胞寿命更长。最近的一项新研究通过建立能够记住化学信号顺序的细菌机器，使我们更接近这一目标。

现代计算机在硅通路周围传输电子并处理表示为数字1和0的信息，如开关打开或关闭。另一方面，生物计算机是模拟机器，其表示具有物理量测量值的信息，例如分子浓度的滑动标度。

复杂的电路

在诸如细菌的活机器中，其电路以存储在DNA 中的遗传密码的形式存在，其记录使其成为滴答所需的所有基因。例如，在合成生物学中使用的标准细菌之一大肠杆菌中，遗传密码由大约4.6m个字符长的单个圆形染色体组成。计划的不同部分直接对应于生物体的不同部分，而不是被安排成“蓝图”，这种遗传密码或“基因组”采用几乎难以想象的复杂电路的形式。

一个基因的产物可能会影响其他基因的行为，这些基因也可能受到外部环境的影响，等等。这产生了一系列化学信号，这是生物发育，生长和新陈代谢的核心。只有当我们了解特定基因如何响应不同类型和强度的信号时，我们才能将其添加到我们的修改生物计算机的潜在“部分”列表中。

我们距离完全了解大肠杆菌接线图还有很长的路要走，但我们对它的特定区域了解得足以能够修补新组件，或修改现有零件之间的连接。通过这种方式，我们可以在现有电路上搭载，并将新的，人工定义的功能引入到单元中，例如检测光的能力。

然而，大多数现有生物设备经常缺少的是永久性存储。我们可以构建合成电路而不是计算结果，但理想情况下我们也希望能够记住它。大肠杆菌等细菌在觅食时，已经通过向更强的营养素浓度移动而使用这种能力。

为了能够做到这一点，bug必须能够比较它们现在所处的位置。如果他们朝着正确的方向前进，事情变得越来越好，那么他们什么都不做，但如果事情变得更糟，他们就会采取行动(通过改变方向)。这种记忆能力对进化成功至关重要。如果要扩大未来的合成生物设备，我们需要找到一种可靠的方法来从分子构建永久性记忆并使其在活细胞内起作用。

存储在电路中

研究人员使用基因组本身作为记忆的基础，而不是使用分子浓度(随时间衰减)来表示储存值。通过在细胞中使用酶，我们现在能够选择性地删除或“翻转”细菌基因组的部分，因为它根据我们设计的特定“程序”电路处理信息。

通过这种方式，可以存储计算结果，但是 - 更重要的是 - 它们在细胞分裂时继承，并在世代传承下来。这种持久记忆对于合成生物学的长期成功至关重要，因为它意味着计算结果可以比生成它们的单个细胞更长久。

关于该主题的最新研究将这一发展进一步发展。发表在“科学”杂志上的这项工作展示了如何利用这种方法建造能够记住按下三个化学“按钮”(信号)顺序的细菌机器。虽然这项研究还处于起步阶段，但作者认为这种方法可以应用于哺乳动物细胞癌症的研究。这是因为发生诸如突变之类的事件的顺序可以影响疾病如何发挥并影响例如肿瘤细胞如何响应靶向治疗。

更一般地说，赋予细胞长期记忆能力的能力开辟了复杂的工程生物传感器的可能性，这些生物传感器可以存储多代细胞事件的记录。通过为活细胞提供内置的“船长日志”，这有可能从根本上改变我们对衰老，疾病和生物发育的研究方式。

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