为什么活细胞是数据处理的未来

生物计算机能够绘制地图、运行逻辑门、执行二进制计算等。

并非所有计算机都由硅制成。根据定义,计算机就是能够处理数据、执行计算或使用所谓逻辑门将输入(例如,二进制代码中的1和0)转换为输出的任何东西。现在,一个由科学家组成的小型国际社区正在努力将计算机的领域扩展到包括细胞、动物和其他生物体。他们的一些实验高度理论化;另一些则代表了迈向量用生物计算机的第一步。所有这些都是为了让生命体执行现在由芯片和电路板完成的工作。

例如,去年,英国西部大学的一位计算机科学家安迪·亚当茨基(Andy Adamatzky)与日本研究人员团队合作,制造了运行在兵乓蟹上的逻辑门。首先,他们建造了复制计算机逻辑门中导线形状的迷宫。

然后,他们驱赶两群螃蟹(输入)从门的这一端到另一端。当这两群螃蟹相撞时,它们会结合形成一个新的群体(输出),这个群体经常会朝着它们矢量和的方向移动,这表明一个有生命的、有点随机的系统可以产生有用的秩序。

图片来源:Benn K.K. Chan。生物多样性研究中心。中央研究院

如果螃蟹善于聚集在一起,那么一种生活在腐烂树木中的单细胞生物——多头绒泡草(Physarum polycephalum),也叫粘菌——则在绘制地图方面出奇地擅长。亚当茨基和安大略省皇后大学的计算机科学家塞利姆·阿克尔(Selim Akl)在过去几年里一直在利用粘菌绘制网络地图。

粘菌“将引领生物电子和计算机行业的革命。”

在一项实验中,他们用加拿大地图,在全国主要城市上撒上燕麦片(粘菌的食物),并将粘菌放在多伦多。粘菌蔓延开来,形成了通往这些城市的最高效的路径,形成了几乎完美模仿加拿大实际公路系统的“道路”网络。

去年四月,生物计算机变得更加令人印象深刻。瑞士生物工程师宣布,他们已经对人类细胞进行了编程,使其能够进行二进制加减法运算,这也是计算机进行算术运算的方式。他们通过基因工程改造了细胞,使其拥有一套复杂的基因电路,这些基因可以相互开启或关闭。细胞可以通过处理添加到培养皿中的两个输入(分子红霉素和间苯二酚)来显示答案,通过产生红色或绿色的荧光蛋白来显示答案。

这一切有什么意义呢?亚当茨基说,粘菌的地图绘制能力可以比当今的计算机设计出更好的道路、无线网络和信息处理电路。将粘菌与电子学相结合也可能带来益处。亚当茨基已经在制造一种计算机芯片,它将电通信的速度与粘菌的学习能力结合起来。

这种混合技术处理信息的方式将更像大脑,而不是计算机,通过经验和试错来学习和成长,从而有可能解决神经科学和计算机科学中的问题。他说:“我们设想,基于粘菌的计算研究将引领生物电子和计算机行业的革命。”

他的同事阿克尔说,生物计算机的一个优势可能在于它们能在传统电子设备无法工作的环境中运行。“想想在恶劣环境中的计算,比如海底、人体内部,或者在我们的计算机可能无法生存的外星球上,”他说。生命体可以在硅芯片可能熔化、冻结或解体的环境中茁壮成长。

但最大的好处可能在于医学领域,因为细胞善于与其他细胞相互作用。苏黎世联邦理工学院的生物工程师、细胞计算器项目的首席研究员马丁·富斯内格(Martin Fussenegger)说,细胞可以被编程成“智能细胞植入物”,能够感知人体内的健康问题并施予量身定制的疗法。

例如,有乳腺癌高风险的患者可以接受一种植入物,这种植入物能够识别癌症指示分子并产生杀死这些细胞的蛋白质。“一个患病的细胞就是一个有bug的程序,”阿克尔说。“计算机科学家擅长找出bug并修复它们。剩下的就留给你想象了。”

 

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