美国麻省理工学院（MIT）研究团队利用经过基因工程改造的细菌，在培养皿中构建出能够执行逻辑运算的“活体电路”。这些细菌不依靠金属导线传递电流，而是通过小分子化学信号在不同菌落之间传递信息。研究人员已经利用这一系统完成逻辑门、信号分流以及二进制加法等运算，规模最大的实验电路由24个细菌菌落组成。相关研究于8月17日发表在《Nature Chemical Biology》。

这项研究由MIT博士后研究员Hamid Doosthosseini领衔，前MIT博士后Haorong Chen参与，MIT生物工程系主任Christopher Voigt担任论文资深作者。研究团队选择的基础菌种是成团泛菌（Pantoea agglomerans），这种细菌能够生长在包括植物表面在内的多种环境中，这也成为团队进一步考虑植物和农业应用的重要原因。

五种细菌，组成一套可以重新排列的计算系统

传统电子晶体管利用控制信号决定电流能否通过。MIT团队把这种“开关”结构转换成了生物化学机制。

研究人员首先改造出两种承担“晶体管”功能的成团泛菌。两种菌株都会对一种名为OC-6的分子作出反应，其中一种在接收到OC-6后进入开启状态，另一种则关闭。它们同时检测另一种输入分子OC-12，在不同输入组合下产生名为OHC-14的输出分子。这个输出随后成为下一级菌落能够接收的信息。

另外三种经过改造的菌株承担“中继器”功能。它们接收前一个菌落释放的化学分子，再把信息转换成下一个细菌晶体管可以识别的信号。这样，原本需要电子线路完成的逐级信号传递，被转化为菌落之间的化学通信。

研究人员使用声学液体处理设备把不同菌株按照设计图案打印到琼脂培养基表面，相邻菌落之间距离约5毫米。这个距离经过控制，使化学信号主要到达邻近菌落，再由中继菌株继续传递，从而形成具有方向性的信号路径。

研究的重要变化在于，改变计算功能时不一定需要再次修改细菌的基因。论文显示，研究人员只使用两种晶体管菌株和三种中继菌株，通过改变五种菌株在培养基上的排列方式，就能组合出不同逻辑结构。这种设计借鉴了电子工程中的传输晶体管逻辑，让生物计算从“为每项任务重新设计一个细胞”转向“利用少数标准化生物元件重新布线”。

24个菌落已经能够完成二进制加法

实验中，这套系统完成了包括多输入逻辑、OR逻辑和IMPLY逻辑在内的多种基本运算。研究人员随后继续组合这些基础模块，构建出半加器、全加器以及解复用器等更复杂结构。解复用器能够根据控制输入，将一个信号送往多个可能出口中的指定位置，这也是数字电路中常见的信息路由功能。

规模最大的实验电路使用了24个相互连接的菌落，可以完成两个二进制输入的加法。论文还展示了三输入全加器等结构，说明不同菌落承担简单功能后，可以通过逐级通信组合成复杂程度更高的计算系统。

Voigt据此提出，从逻辑功能的组合能力看，这套架构原则上可以继续构造更复杂的运算。不过这种表述针对的是计算逻辑能否被组合，并不代表其性能已经能够接近现代处理器。研究团队目前的细菌电路完成一次计算大约需要8小时，而现代电子芯片中的逻辑操作通常在极短时间内完成。

8小时的运算时间意味着，这种技术没有现实条件用于手机、个人电脑或者人工智能芯片等高速计算设备。研究团队真正关注的是另一类使用环境：当计算任务本身发生在活体系统中时，生物电路可以直接感知化学环境并产生生物学输出，从而省去部分传统传感器、电子设备与生命系统之间的信息转换环节。

Voigt解释，植物的生长、干旱胁迫和病虫害变化通常以小时、天甚至更长时间推进。在这样的时间尺度上，一个晚上完成一次判断仍可能具有实际意义。团队设想未来可以让类似细菌附着在植物根部或叶片上，同时检测多个环境信号，在满足特定条件后启动相应反应。

目标之一是让植物周围出现“生物控制器”

农业是MIT目前公开提出的主要潜在应用方向之一。

按照研究人员设想，工程菌未来可以部署在植物根系或叶片附近，对干旱、病原体侵袭以及其他环境压力进行持续感知。多个输入经过细菌电路判断后，再启动预先设计的生物过程。例如检测到特定胁迫信号后，系统可能触发产生具有抗真菌作用的物质。

这种设计改变了合成生物学构建复杂逻辑的一项长期难题。过去，研究人员经常尝试把感知、判断和输出功能集中到同一个细胞内部。随着功能增加，需要使用越来越多不同的转录因子和基因调控元件，不同信号之间可能发生串扰，过多的人工基因线路也会增加细胞自身蛋白质生产系统的负担。

MIT团队把这些任务分散给多个不同菌落。每个菌株只负责相对简单的功能，复杂程度主要通过菌落之间的连接方式增加。由此形成的技术价值更多来自模块化和可扩展性：同样五种基础菌株可以重新排列成多种电路，无需针对每种逻辑运算重新制造一整套工程菌。论文作者认为，这种架构为进一步扩大多细胞计算系统提供了新的工程路径。

“活体晶体管”与电子芯片仍是两条完全不同的技术路线

“晶体管”“电路板”和“计算”等名称容易让这项研究与半导体技术联系起来，但实验中的信息载体实际上是化学分子。细菌菌落没有组成传统意义上的电子芯片，也没有让电子在菌落之间高速运动。研究团队借用晶体管的逻辑结构，让细胞根据控制信号决定是否继续传递另一项输入信息。

这也决定了两类技术完全不同的优势范围。硅芯片拥有巨大的运算速度、晶体管密度和精确度；细菌能够生长、感知周围化学环境，并直接产生生物学物质。在植物、土壤、生物材料等传统电子设备不容易长期融入的环境中，这种能力可能产生新的应用空间。

因此，这项研究目前更接近一种**“把计算带入生命系统”**的工程方法，而不是发展另一种个人电脑。媒体报道中受到关注的“细菌也可以做计算”，其技术重点并非与CPU比较速度，而是让生物体附近直接出现具有感知、逻辑判断和输出能力的控制系统。

从培养皿走向真实环境仍有较长距离

目前公开成果仍处于实验室阶段。菌落被精确打印在琼脂培养基上，相邻距离、营养条件和化学信号传播路径均处于人为控制环境中。真实植物表面的温度、湿度、营养、微生物群落以及化学物质扩散条件更加复杂，实验室中形成的单向信号链能否长期保持同样的可靠性，还需要进一步研究。

此外，24个菌落完成一次加法已经展示了系统扩展的可能性，但规模继续增加后，信号传播时间、菌落生长差异、输入输出强度和不同线路之间的干扰都会直接影响计算结果。工程菌如果未来进入开放农业环境，还需要解决长期稳定运行、生物控制和实际部署监管等问题。

研究获得了美国国防高级研究计划局（DARPA）和美国情报高级研究计划活动局（IARPA）的部分资金支持。MIT目前公开介绍的应用重点放在植物和农业领域，而这些机构对研究的资助也显示，能够在传统电子设备难以工作的环境中自主感知、处理信息并产生响应的生物系统，具有更广泛的基础研究价值。

从五种工程菌、5毫米间距到24个菌落组成的加法电路，MIT团队已经证明，细胞之间的化学通信可以按照类似电子线路的规则被重新组织。下一阶段能否把这种结构从培养皿搬到植物表面，并在自然环境中稳定完成“感知—判断—响应”，将决定“活体电路”最终停留在实验室计算模型，还是发展成为可以实际部署的生物工程技术。