MIT工程师用成团泛菌打造活体晶体管与电路板

麻省理工学院工程师团队近期完成了一项突破性的生物工程试验。该团队利用一种常见于植物表面的细菌，构建出能够执行逻辑运算的"活体电路板"，为将计算能力直接嵌入生物环境开辟了全新路径。

从硅基到碳基

在传统电子电路中，晶体管通过控制电流的通断来处理信息。麻省理工学院团队的设计思路与此类似，但他们控制的并非电子，而是名为OC-6、OC-12和OHC-14的化学信号分子。研究人员选取了成团泛菌作为生物基质，这是一种广泛存在于植物叶片与根系表面的微生物。通过基因工程改造，他们设计出两种功能互补的细菌晶体管：一种在接收到OC-6分子时被激活，另一种则被同一分子抑制。两种晶体管同时检测OC-12分子的存在与否，并据此决定是否释放输出信号分子OHC-14。

为了将单个晶体管连接成功能网络，研究团队还开发了三种中继菌株。这些中继菌株能够将OHC-14信号转换为下游晶体管可识别的新化学指令，从而在物理上分离的细菌菌落之间建立定向的信息通道。研究人员将菌落以约5毫米的间距打印在富含营养的琼脂培养基上，这一间距经过精确计算，既能确保信号传递至相邻菌落，又能防止信号无序扩散。通过调整菌落的空间排布，研究团队可以像设计印刷电路板一样重新配置整个网络的功能，而无需对单个菌株的基因组进行重新设计。

（细菌活体电路生成延时摄影）

在该研究中，团队展示了多种逻辑运算能力，包括多输入运算、"或"门、蕴含门以及信号分离器。其中最为复杂的演示是一个由24个细菌菌落组成的加法电路，能够像数字处理器一样计算进位与求和。尽管单次运算耗时约8小时，远慢于硅基芯片，但对于以生长季节为时间尺度的生物过程而言，这一速度已足够应对实际需求。

活体电路的现实意义

这项技术的核心价值在于将计算控制植入生物体本身。麻省理工学院生物工程系主任克里斯托弗·沃伊特明确表示："我们并非试图取代计算机，而是希望将计算控制能力引入生物学。"这一愿景与农业应用高度契合。设想一种部署在作物根系或叶片表面的细菌电路，它能够同时监测多种环境信号——土壤干旱程度、真菌侵染标志物、虫害攻击痕迹或营养失衡指标。当电路检测到特定威胁组合时，可触发相应的生物响应，例如合成杀菌剂或激活植物自身的防御机制。由于成团泛菌本身就是植物共生微生物，这一平台在农业场景下具有天然的适应性优势。

从更广阔的视角来看，活体电路的潜在应用还延伸至环境监测与医疗诊断领域。由于生物电路能够直接响应化学信号，它们可以被部署在电子设备难以维系的复杂环境中，例如检测水体污染物或土壤毒素。在医疗场景中，类似的逻辑门系统未来或可嵌入人体，用于识别异常激素水平、血糖波动或药物过量迹象，并向外部电子设备发送警报，甚至触发内置的化学干预储备。

更多相关探索

梳理过往研究可以发现，多个科研团队从不同角度推进着"活体计算"的边界。

早在2011年，帝国理工学院的理查德·基特尼教授与马丁·巴克教授团队便已在《自然·通讯》上发表研究成果，证明可以利用大肠杆菌和DNA构建模块化的生物逻辑门。他们设计的"与"门和"与非"门能够像电子元件一样进行开关切换，并且具备模块化特性，可拼接组合成更复杂的处理单元。该团队当时便展望，这类生物电路未来或可构成微型生物计算机，用于在动脉中检测有害斑块并定向释放药物，或识别并摧毁癌细胞。

2021年，麻省理工学院另一支由罗恩·魏斯教授领导的团队则在响应速度上取得突破。该团队开发了一种完全基于蛋白质-蛋白质相互作用的合成生物学电路，可在1秒内完成信号触发，而传统基于基因转录的电路往往需要数小时甚至数天。这项发表于《科学》期刊的研究使用酵母细胞作为宿主，构建了包含14种来自不同物种蛋白质的复杂网络，能够"记忆"化学暴露事件并将信息传递给后代细胞。魏斯教授指出，这种极速切换能力将显著拓展合成生物学的应用范围，包括开发环境污染物传感器和体内疾病诊断装置。

（MIT酵母蛋白质拨动开关电路示意图）

美国国防高级研究计划局也在积极推动生物计算的前沿探索。2026年5月，该机构发布了名为"O-Circuit"的项目征集公告，计划投入约3600万美元开发"生物处理单元"。与麻省理工学院利用细菌菌落不同，O-Circuit项目聚焦于类器官神经组织，旨在构建能够学习、推理并保留记忆的生物计算架构，最终与嗅觉传感器和无人机导航平台集成，打造"感知-计算-行动"闭环系统。该项目要求演示系统能够识别多达100种化学气味，并在严格能耗约束下实现自主导航。

尽管前景广阔，活体电路仍面临多重现实约束。当前系统依赖严格控制的培养条件，在开放环境中的稳定性尚未得到验证。化学信号的传递范围有限，菌落间的通信可能受到温度、湿度及杂菌干扰。8小时的运算延迟也限制了其在需要实时响应场景中的应用。然而，正如沃伊特所言，这些电路的优势恰恰在于其生物属性本身——它们能够在电子设备无法部署的环境中生存，直接响应化学而非电学信号，并将感知与生物行动无缝连接。