活体细菌也能做“电路板”，MIT新研究有望让生物拥有计算能力

计算机里的电路板由晶体管组成。现在，研究人员开始尝试用细菌搭建类似的计算系统。

近期，麻省理工学院（MIT）Christopher Voigt 教授团队将细菌改造成类似晶体管的“生物开关”，并设计出一套由 5 种基础菌株组成的模块化系统。通过改变这些菌株的排列和连接方式，就可以组合成不同的逻辑电路。

目前，研究人员将不同菌株打印在培养皿的琼脂培养基上，组成能够传递信号、执行逻辑运算的活体“电路板”。该团队已经用它们构建出能够完成两个或三个输入的加法、多输入多输出处理以及信号解复用等功能的电路。

其中规模最大的，由 24 个相互连接的细菌菌落组成，可以对两个输入信号进行加法运算。这些细胞电路完成一次计算大约需要 8 小时。

（来源：MIT）

当然，这样的速度还没办法与电子计算机相比。但研究人员的目标并非用细菌取代芯片。他们真正想做的，是将计算能力应用到生物环境中：未来，这些细菌或许可覆盖在植物根部或叶片上，在感知干旱、病虫害等环境变化的同时，及时根据不同输入作出自动响应。

近日，相关论文发表在 Nature Chemical Biology[1]。

把细胞变成晶体管

实际上，用细胞执行逻辑运算，并不是一个全新的想法。

在传统合成生物学中，一种常见方法是对单个细胞进行基因改造，让它表达特定蛋白质和转录因子。不同分子之间相互作用，就可以形成类似逻辑门的功能。例如，一个细胞能够感知某种目标分子，随后启动特定基因表达，产生相应输出。

但问题是，这种方法难以规模化拓展。为了防止不同回路之间相互干扰，每套回路往往需要使用彼此独立的转录因子。但是，可使用的转录因子数量有限，因而限制了单个细胞能够容纳的电路复杂度。

与此同时，将越来越多的功能塞进同一个细胞，也会增加细胞蛋白质合成系统的负担。

基于这些因素，该团队在本次研究中用了一种新的思路：与其将整个电路塞进一个细胞，不如把复杂计算拆开，让不同细胞分别承担简单功能，再把它们连接起来。实际上，这种方式也更接近电子电路的组织方式。

图丨细胞晶体管与中继器（来源：Nature Chemical Biology）

为此，研究人员选择了一种可生长在植物等多种表面上的细菌——成团泛菌（Pantoea agglomerans）。首先，他们构建了两种能够充当晶体管的菌株。两种晶体管都由一种名为 OC-6 的小分子控制，但工作方式相反：一种在接收到 OC-6 后开启，另一种则在接收到 OC-6 后关闭。

与此同时，它们还能检测另一种目标分子 OC-12。根据 OC-12 是否存在，以及晶体管处于开启还是关闭状态，细菌会决定是否产生第三种信号分子 OHC-14。

也就是说，细菌接收不同的化学输入，对这些输入进行简单的逻辑判断，再决定是否向下游发送新的化学信号，由此构成了一个生物版本的“晶体管”。

菌落之间怎么“接线”？

仅是晶体管还不是全部。在真正的电子电路中，不同晶体管需要通过导线连接起来。生物电路同样需要解决的问题是：一个菌落产生的信号，怎样准确传递给下一个菌落？

为此，研究团队设计了 3 种中继菌株。它们负责接收上游产生的 OHC-14，再将其转换成能够输入另一个晶体管的信号。这样，一个细菌晶体管的输出，能够成为另一个晶体管的输入。

随后，研究人员将这些菌落打印在含有琼脂培养基的培养皿上，每个菌落与最近菌落之间相距约 5 毫米。这个距离本身也是电路设计的一部分。

（来源：MIT）

由于信号分子只能有效传递到最近的菌落，一个菌落产生信号后，会先传给相邻菌落，再由后者继续向下传递，从而形成具有方向性的信息流。

因此，这套系统里的“接线”并不是真正的金属导线，而是由菌落的位置、距离以及小分子的扩散共同决定。这也意味着，同样的几种基础菌株，只要改变空间排列方式，就可以承担不同的计算任务。

该论文第一作者、MIT 博士后 Hamid Doosthosseini 对媒体表示：“我们已经构建了一些常用的基础计算架构组件，通过组合这五种菌株，可以进一步构建更复杂的计算功能。”

更准确地说，这 5 种菌株提供了一套可以继续组合的基础单元，而不需要研究人员每设计一种新电路，就重新寻找一整套新的细胞元件。

不是替代电脑，而是让生物会计算

有了晶体管和中继器，研究人员进一步测试了这套架构可计算的复杂程度。

首先，单个晶体管可根据其在电路中的位置，实现多输入逻辑门、“或”门和“蕴含”门等不同逻辑运算。随后，研究人员继续将这些基础单元连接起来。

他们构建出了能够对两个信号进行加法运算的电路，也构建了能够同时处理多个信号的电路，以及一种解复用器。

在这项研究中，规模最大的是一个由 24 个细菌菌落连接起来的加法电路。从计算逻辑本身来看，这种模块化架构理论上可以继续扩展。研究团队用了一个非常直观的说法描述它：“从计算角度来看，你的 iPhone 能做到的，这些电路都能做到。”

图丨印刷式单元晶体管-中继器电路（来源：Nature Chemical Biolo

研究团队强调，这项研究的目标并不是制造一台细菌计算机来替代现有计算设备。真正重要的是，电子计算机很难直接成为生物系统的一部分，而细菌本身可以生长在植物根部、叶片以及其他自然环境中。

如果这些细菌同时具备感知和计算能力，它们就有可能直接在这些环境中理信息。根据研究人员设想，未来可以把类似电路部署到植物根部，让不同细菌持续检测植物受到的环境胁迫。

当系统检测到特定输入信号后，多个细菌单元可以先进行逻辑判断，再决定是否启动相应反应，例如合成杀菌剂。

“如果植物根部有细菌，或者植物本身就能进行计算，对于植物生长周期而言，即便在夜间完成慢速运算，也完全满足应用需求。”Christopher Voigt 说。

这也是这项研究与传统计算最明显的区别。它追求的不是更快的运算速度，而是让计算发生在过去很难部署计算设备的生物环境里。

从这个角度看，研究人员真正搭建的并不是另一种电脑，而是一套生物计算元件：它们能够感知化学信号、进行逻辑判断，再把结果继续传递给下一个细胞。而当这些简单单元被排列、连接起来，复杂的计算也就开始从细菌菌落之间“长”出来。

参考资料：

1.Doosthosseini, H., Chen, H. & Voigt, C.A. Living circuit boards built by printing bacterial transistors. Nat Chem Biol (2026). https://doi.org/10.1038/s41589-026-02300-3

2.https://news.mit.edu/2026/mit-engineers-connect-bacteria-to-create-living-transistors-0817

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注：封面/首图由 AI 辅助生成