細菌的虛擬現實：微生物基因的「全息甲板」！

導讀

最近，一個跨學科的國際科研團隊將細菌與計算機連接，成功地控制單個細菌的行為。他們使用這種設置構建出一種基因電路，這種基因電路一部分是活的，一部分是數字的。

背景

合成生物學家們希望製造出一種微生物，完成一些特定任務，例如生產出作為代謝循環一部分的癌症藥物或者抗體，此時他們通常必須對於基源生物進行大量更改。然而，這些更改中的每一項都會產生幾個方面的影響，這些影響又會影響其他所有的更改，改變最終結果。

科學家 Remy Chait 解釋道，即使你能理解到不同部分是做什麼的，你也無法知道當你將它們放在一起時會發生什麼。它們之間的反饋讓整個電路變得不可預測。

然而，這個問題的解決方案來自於軟體開發，也稱為單元測試和集成測試。在這種測試中，每個組件單獨進行測試，同時研究它們與周圍環境之間的交互。最佳的方法就是在虛擬空間中模擬周圍環境，讓組件和虛擬世界進行交互。

創新

現在，研究人員倡議將這種方法應用於生物系統。奧地利科學技術研究所的科學家（IST
Austria）將細菌與計算機連接，成功地控制單個細菌的行為。該跨學科的團隊由實驗生物學家 Remy Chait、論文的第一作者數學家 Jakob Ruess （現在任職於法國巴斯德研究所和法國國家信息與自動化研究所）、Calin Guet 教授、Gasper Tkacik 教授組成，他們使用這種設置構建出一種基因電路，這種基因電路一部分是活的，一部分是數字的。

技術

在實驗中，他們在細菌振蕩器中培養出了基因表達，並且通過調整單個細菌之間的通信控制了振蕩模式，用於概念驗證性研究。這種生物-數字混合技術有望應用於「調試」複雜的生物系統，就像複雜的計算機代碼調試一樣：每個部分進行單獨測試，以虛擬現實的方式模擬它的周圍環境。

Remy Chait
解釋道，生物系統很複雜，如果像調試計算機代碼一樣調試它們，這將對科學家們很有幫助。在單元測試和集成測試中，我們會模擬環境並且單獨地插入每個組件，驗證他們的功能是否正常。然後，我們會將它們成對結合，重新再來一次。通過這樣一種方式，我們將看到在哪一點上，反饋和干擾開始影響系統，並且適當地進行調整。通過迭代這種方法，虛擬部分將會穩定地減少，直到系統變成完全生物的以及具有期望的功能！

研究人員通過生物-數字振蕩器演示了該生物-數字混合系統的可行性。在他們的設置中，修改後的大腸桿菌細胞生產出一種蛋白質，可以發出藍紫色熒光。這種顏色的光線形成了數字端介面。每六分鐘，計算機測量細胞產生出多少光線，並且累計與之成比例的虛擬信號分子。當信號超過特定的閾值，細胞生產的熒光蛋白活動就會停止。這是通過一個投影儀來完成的，該投影儀將作為「開」或者「關」信號的紅色或者綠色光線，投射到光敏細胞上，從而將電路「活」的生物部分與數字組件相連。

（圖片來源：參考資料【2】）

（圖片來源：參考資料【2】）

研究人員稱，細胞與模擬的環境相互交互。它們的行為將影響到計算機的行為，而計算機的行為也反過來影響到細胞的反應。如果你知道《星際迷航》這部電影，那麼你肯定聽說過「全息甲板」（Holodeck）。我們所打造的基本上就是為微生物基因而設計的簡單的全息甲板。

所謂的「全息甲板」是《星際迷航》里的一種技術，運用燈光將房間變成一個沉浸式的互動場景。在飛船上有一個特製的全封閉房間，計算機會在整個空間投射出全息的環境，並且裡面的所有虛擬物品都可以與用戶進行互動。

當研究人員測試混合電路時，儘管不同的細菌之間存在差異，但是大量的細胞發出藍紫光，而且光線產生了振蕩。但是研究人員想要細菌同步振蕩，所以他們改變數字組件，並且建立起細菌之間的虛擬通信網路。在這種配置下，一些虛擬信號分布於鄰居之間，並且一組細菌會顯示出不同的集體振蕩。

該平台還有一個應用就是不同細胞之間的反饋控制，這種反饋控制指導這些細胞遵循熒光基因表達的預定軌跡。通過這樣的方式，他們可以讓一組細胞隨著時間顯示出圖片或者字母。

如下圖所示，單獨的細胞通過預定的熒光基因表達進行數字化引導。48個大腸桿菌細胞在圖片中垂直排列。時間向右移動。因此，每一行代表了單個細胞隨著時間變化的熒光基因表達，這一切受研究人員開發的計算機程序控制。

（圖片來源：Remy Chait）

價值

總結一下，這項創新不僅代表生物-數字混合基因電路的最新研究成果，而且借鑒了計算機軟體開發所用的「單元測試」、「集成測試」的理念進行生物系統的調試，同時也結合了虛擬現實、全息技術等創新技術理念，是跨學科創新研究的一個典範，巧妙地交匯融合了幾項前沿技術。

關鍵字

基因電路、軟體開發、虛擬現實、全息技術

參考資料

【1】//ist.ac.at/nc/en/news-media/news/news-detail/article/virtual-reality-for-bacteria/6/

【2】http://dx.

doi.org/10.1038/s41467-017-01683-1

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