工程大肠杆菌中基于遗传编码生物记忆的物理神经网络学习

《Nature Communications》：A genetically encoded local learning rule enables physical learning in engineered bacteria

　　

摘要

在物质中直接训练物理神经网络仍然困难，因为大多数平台无法在同一物理基底中存储和更新权重。在此，我们展示了工程化大肠杆菌可以基于遗传编码的持久生物记忆，实现作用于其上的局部学习规则。我们引入了记忆调控子：一种细菌记忆元件，其中偶联质粒以P1在P1+P2质粒池中的相对丰度来存储模拟权重。环境输入激活局部启动子，而共享的亚致死卡那霉素信号将启动子活性转化为差异性生长，从而降低所存储的P1比例。在单一菌株轨迹中，结合酶标仪与流式细胞术的测量结果与依赖于活性和方差的权重变化一致。在单细胞水平上，反复的负向学习重塑了存储的权重分布，使其趋近下边界。在混合种群和共培养中，一个共享的负向学习信号可选择性重写活跃的记忆调控子，从而实现外部路由的监督式井字游戏教学。随后，我们将该架构推广至正交化学输入和组合启动子，并结合实测的共培养更新与外部博弈分析，模拟了非线性分类器架构中的负向剪枝。这些结果通过遗传编码的模拟权重的局部负向更新，确立了在活体物质中实现物理学习的可能性。