难以置信！一半机器一半生命体的“组织”诞生了

　　

奥地利科学技术研究所（IST）的科学家们发表文章，报道他们可以轻松地控制单个细菌行为，让人匪夷所思的是，他们控制细菌的方式是，把它们与电脑连接。

这意味着，生物数字技术时代将要来临了吗？现在我们看的叫“数字电视”，以后得叫 “细菌电视”？？？能把活细菌细胞与电脑硬件连接，活人细胞与电脑连接能连接吗？？？机械战警和半机械人可能成真吗？？？

这个跨学科的研究小组为了设法控制单个细菌行为，竟然把单个细菌与计算机连接起来，构建出了混合生物数字电路（hybrid bio-digital circuit）。研究团队成员包括数学家（Jakob Ruess）、实验生物学家（Remy Chait）、生物物理学和神经学家（Gasper Tkacik）以及合成生物学家（Guet Group）。他们合伙在《Nature Communications》上展示了这项“半活物-半数字化”的研究成果。

研究人员通过基因工程手段改造大肠杆菌，使其表达蓝紫色荧光蛋白，用彩色光构成与数字端的接口，然后计算与其成比例的虚拟信号分子，当信号超过某一阈值时，细胞的荧光蛋白生产就会被关闭。实现这种功能的元件是一个投射红光或绿光的投影仪，它将代表关闭的红光或代表开启的绿光投射给光敏细胞，从而巧妙地将数字元件与生命体单元连接至同一电路。

“这些细胞可以与虚拟环境互动。细胞的所作所为会影响计算机性能，计算机的工作也会影响细胞的反应。如果你听说过《星际迷航》，你肯定听说过全息甲板（Holodeck）。我们现在基本上已经构建出了一个简单的‘全息甲板’，用微生物基因工程手段，”Remy Chait解释道。

全息甲板是一个模拟现实（SR）系统，与虚拟现实（VR）系统不同的是，整个系统存在于实体世界，人不需要眼镜、触觉模拟器之类的东西就能与此系统中的物体互动。主要有光影系统（负责远景），以及物质生成系统（负责生成与人接触和看到的东西）。

研究人员还测试了他们的半活物-半数字混合电路。细胞群们闪烁着蓝紫色的光，但是细菌个体间的荧光闪烁仍然存在差异。因此，为了实现同步振荡，研究人员改变了数字组分，并在细菌之间建立了一个虚拟通讯网络。从而让显示不同类型集体振荡的细菌群共享虚拟信号。

该平台的另一个应用，控制单个细胞，并指导他们按照特定的轨道表达荧光基因。这样，人们就能让细菌拼出一些肉眼可见的图片或文字了。（如下图）

这种生物数字混合技术，能让生物科学家们像电脑工程师排除bug一样，为复杂生命体“debug”：以虚拟现实的形式刺激周围环境，从而逐个测试生命体的每个部分。

尽管这仅仅是一个简单的“全息甲板”，但科学家们已经看到了它的潜在应用。

当合成生物学家想设计出某种承载任务的微生物时，比如生产抗癌药物或抗生素等，他们通常必须对原本的微生物体进行大量改造。这些改造中的每一部分都有可能影响其他所有的变化，使改造结果出现大量的不确定性。“这之间的复杂反馈，让整个电路的行为具有不可预测性，”Remy Chait说。

其中一个解决办法是通过软件开发，以及单元（unit）和集成（integration）测试。这种方法针对每个组件分别进行测试，并研究该组件与周围环境的相互作用。如果能在模拟的空间让组件与虚拟世界交互，对合成生物学家们来说，这将一个极佳的研究手段。

“生物系统非常复杂，如果我们能像调计算机代码一样，调试它们那真是最好不过了，”Remy Chait说。“先模拟一个环境，再分别插入每个组件以验证它们是否按预期功能运行，然后你把它们组合起来，再从头开始测试，你可以清晰地看到哪个点的反馈和冲突扰乱了整个系统，你对它们做出适当调整，就能得出最佳设计路线，并且具有预期功能！”

当大众还在热烈讨论“人与机器应该怎么交流”时，合成家们已经开始琢磨“人与机器应该怎么连接”了，而且他们正在将它变为现实，像机械战警这样的半生命体也许在几十年后就会在技术层面完全实现。

原文检索：
Shaping bacterial population behavior through computer-interfaced control of individual cells

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（生物通：欧阳沐）