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在一项新的研究中，麻省理工学院工程师们利用三个甚至更少的基因零件(genetic part)将细菌细胞转变成能够进行对数、除法和平方根计算的活的计算器。受到模拟电子电路工作方式的启发，这些研究人员以新的方式将现存的基因零件或者说工程基因进行组合而构建出合成运算电路。相关研究结果于2013年5月15日在线发表在《自然》（Nature）期刊上。
根据论文两名通信作者Rahul Sarpeshkar和Timothy Lu的说法，这些运算电路利用已存在于细胞中的自然生化功能而不是对它们进行过数字逻辑改造，从而以一种模拟的方式进行计算，这就使得它们比大多数合成生物学家们所追求的数字电路更加高效。
研究人员说，模拟计算特别适合于设计针对病原体或其他分子的细胞传感器。模拟传感(analog sensing)也可能与数字电路相结合来构建出发挥特异性功能的细胞，其中这种特异性功能是由某些分子的阈值浓度所触发的。
Lu说，“人们能够利用模拟电路开展许多前期检测，这是因为它们非常丰富，而且只需相对较少的零件就能够赋予很大的复杂性，因而利用一个电路输出结果就可作出决定，对不对？”
模拟电路的优势
在此之前，Sarpeshkar就已鉴定出晶体管模拟电路和在细胞内发生的化学电路之间的热动力学相似性。2011年，基于这些相似性，他在电子电路中只利用8个晶体管就构建出DNA和蛋白之间的生物相互作用模型。
在这项新的研究中，Sarpeshkar、Lu和同事们开展相反的研究：将模拟电子电路映射到细胞中。基于在生物学上观察到的适度计算精度，Sarpeshkar长期以来就赞成模拟计算要比数字计算更加有效。这些模拟电路非常高效的原因在于它们能够接受连续地输入，而且它们使用也已存在于细胞中的自然的连续计算功能。就细胞而言，这种连续的输入值可能是存在它当中的葡萄糖数量。在晶体管中，这是连续的电流或电压输入。
与此同时，数字电路以0和1代表着每个值，而忽略这两个值之间存在的任何可能性。这就有利于在细胞内构建执行诸如AND、NOT和OR之类的逻辑功能的电路，这也是很多合成生物学家们所做的事情。这些电路能够揭示出某种分子的阀值是否存在，但是不能揭示出它的精确数量。
数字电路也需要更多的零件，而这能够耗光容纳这些电路的细胞的能量。Sarpeshkar说，“如果人们构建太多的零件来完成某种功能，那么这个细胞将没有能量来持续表达这些蛋白。”
执行数学运算
为了构建出能够计算细胞中的两个或多个化合物总数量的模拟加法或乘法电路，研究人员将两个模拟电路组合在一起，其中每个电路对应于一个不同的输入。在一个电路中，阿拉伯糖开启一个转录因子表达从而激活表达绿色荧光蛋白(green fluorescent protein, GFP)的基因。在第二个电路中，一种被称作AHL的信号分子也开启表达GFP的基因。通过计算GFP的总量，就可计算出两个输入的总量。
为了构建出减法或除法电路，研究人员利用一个抑制性的转录因子来替换其中一个激活性的转录因子，当这个抑制性的输入分子存在时，就会关闭GFP表达。他们也构建出只需两个零件的模拟平方根电路，而最近有人设计出执行平方根运算的数字合成电路则需要100多个零件。
研究人设计出的另一个模拟电路能够通过计算两个不同输入分子的比值来执行除法运算。细胞本身就经常执行这类运算，并且这类运算在监控诸如NAD和NADH之类的分子的相对浓度中发挥着关键性作用。NAD和NADH经常相互转换，这是因为它们协助其他的细胞反应发生。
Lu说，“这种比值在控制许多种细胞过程中发挥着重要作用。细胞自然地拥有能够识别这些比值的酶。细胞本身就已能够完成许多种这些过程，但是对细胞而言，若要在一种有用的范围内执行它们则需要额外的工程手段。”
这些额外的工程手段包括修改这些模拟电路，这样它们就能够接受1到10000的范围内的输入进行计算，这远比细胞中自然发生的电路的计算范围宽得多。
研究人员如今正在尝试着在包括哺乳动物细胞在内的非细菌细胞中构建模拟电路。他们也正在努力扩大能够整合到这些模拟电路中的基因零件库。Lu说，“就目前而言，我们正在使用三个在生物学上经常使用的转录因子，但是我们想使用其他的基因零件来完成这种工作，并且让这种可推广的平台能够为其他任何人所使用。”
Sarpeshkar实验室正在细胞中进一步构建新的模拟电路。Sarpeshkar说，“对于复杂的模拟反馈电路在活细胞中能够发挥哪些作用，我们也只知皮毛。”他认为这种被称作模拟合成生物学(analog synthetic biology)的新方法将能够构建出一套新的基本电路和应用电路，从而能够显著性地改善对基因表达、分子传感、计算和刺激的微调控制。
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原文检索：
Ramiz Daniel, Jacob R. Rubens, Rahul Sarpeshkar & Timothy K. Lu. Synthetic analog computation in living cells. Nature, 15 May 2013; doi:10.1038/nature12148
发表于 2013-5-20 16:15
