“基因工程”選殖分子細(xì)胞并直接改變其基因，使其得以執(zhí)行不同于本性最初所默認(rèn)的功能。最近一種新的研究趨勢(shì)是利用電路重新設(shè)計(jì)分子細(xì)胞——這些生物電路能以自然發(fā)生的方式將細(xì)胞連接電路，使其執(zhí)行新的功能，例如修補(bǔ)因帕金森氏癥破壞的多巴胺產(chǎn)生細(xì)胞。

 

“我們的最終目標(biāo)是針對(duì)復(fù)雜的醫(yī)療應(yīng)用，例如在血液中注入電路尋找癌細(xì)胞，并在找到癌細(xì)胞后注射藥物，”美國麻省理工學(xué)院(MIT)教授Domitilla Del Vecchio表示，“這種電路需要一個(gè)是傳感器、計(jì)算機(jī)以及一個(gè)注射藥物的致動(dòng)器組件，而這些就是目前我們正在努力開發(fā)的組件。
 

酵母菌(中)就像電子組件般的互連在一起，只不過這些細(xì)胞并非透過電線交流，而是經(jīng)由僅能以適當(dāng)接受器注入細(xì)胞的化學(xué)藥物進(jìn)行互動(dòng)。

 

其他可能的應(yīng)用包括合成生物電路，用于持續(xù)為糖尿病患者測(cè)量血糖濃度，以及在需要時(shí)釋放胰島素。

 

相較于設(shè)計(jì)電路，這種生物電路的設(shè)計(jì)過程較緩慢且更困難。首先，研究人員并非使用神經(jīng)進(jìn)行通訊。相反地，他們利用的是自然生物細(xì)胞內(nèi)的一般通訊方式，透過“產(chǎn)出”分泌一種只對(duì)“輸入”細(xì)胞造成影響的化學(xué)藥物。

 

其次是用來建模所需電路的數(shù)學(xué)算法。研究人員無法利用像奧姆定律(Ohm''''s Law)那樣簡單的RLC公式，而是必須使用像微分方程式等繁瑣的數(shù)學(xué)。“生物電路是非線性的，因此我們必須使用微分方程來建模，”Del Vecchio說。

許多疾病似乎都無法透過對(duì)癥下藥的簡單方式治愈，因?yàn)樗麄冃枰氖歉鼜?fù)雜的療程，包括主動(dòng)式感測(cè)、運(yùn)算與響應(yīng)。根據(jù)MIT的研究人員們表示，最佳方式就是在體內(nèi)培植可執(zhí)行這些功能的細(xì)胞，而不是采用像以往研究人員們?cè)噲D透過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加以連接的方式。
 

從左到右：MIT生物工程學(xué)教授Ron Weiss、機(jī)械工程學(xué)副教授Domitilla Del Vecchio，以及MIT生物工程系學(xué)生Deepak Mishra。

 

“除了神經(jīng)細(xì)胞，生物系統(tǒng)中還有多種類型的電路，例如，控制基因表現(xiàn)的基因電路以及控制生物時(shí)鐘功能的細(xì)胞，例如早上何時(shí)起床等，”Del Vecchio說。

 

截至目前為止，研究團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)電路時(shí)主要都以感知用途為主，無論是使用酵母菌或細(xì)菌細(xì)胞等。“細(xì)菌細(xì)胞更易于操作，因?yàn)榧?xì)菌沒有難以處理的細(xì)胞核。”

 

最后再加上負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，就能夠使該團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新夢(mèng)想成真。負(fù)載驅(qū)動(dòng)器可為信號(hào)來源與發(fā)送信號(hào)之間提供緩沖作用，避免信號(hào)受到延遲影響以及導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的結(jié)果。

 

MIT生物工程學(xué)博士候選人Deepak Mishra、機(jī)械工程系碩士研究生Phillip Rivera，以及電子工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系研碩士研究生Allen Lin均共同參與了這項(xiàng)研究。Eni-MIT能源研究獎(jiǎng)學(xué)金、美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)、美國陸軍研究辦公室、美國空軍科學(xué)研究辦公室以及美國國立衛(wèi)生研究院共同贊助這項(xiàng)研究。