結合生物工程和電子工程的概念，以色列理工學院和美國麻省理工學院的研究團隊合作開發出能計算複雜功能的細菌，這是某種意義上的「生物計算機」。以色列理工學院Ramez Daniel教授的合成生物學和生物電子學實驗室的研究人員與麻省理工學院的Ron Weiss教授合作，創造了新型基因組裝置，希望能執行像人工神經網路一樣的計算。這項研究近期發表於國際期刊《Nature Communications》。
遺傳物質以質體（plasmid）的形式嵌入細菌，質體是一種長度較短的DNA片段，與細菌的主要基因組保持分離。質體也存在於自然界，並具有各種功能。研究團隊將質體的基因序列設計成一個簡單的計算器，或者更具體地說，一個簡單的人工神經網路，這是透過質體上的幾個基因根據外界刺激相互調節啟動和抑制來達成的。在其最基本的層面上，計算機由0和1的開關組成，操作這些開關能夠對它們進行相加，或在它們之間選擇最大或最小值。更進階的操作建構在這些基本的操作之上，使計算機能夠下棋或將火箭發射到月球。在我們所知的電腦中，0和1開關以電晶體的形式呈現。而我們的細胞也是另一種類型的計算單元，一個分子的存在與否可以作為一個開關的啟動或關閉，這包括基因啟動、觸發或抑制其他基因來形成、修改或移除分子。合成生物學旨在利用這些過程，合成開關並對基因進行程式設計，進而使細菌執行複雜的任務。細菌自然具備感知化學物質和生產有機分子的能力，將細菌內的這些過程加以設計能夠對生物性製造產生重大影響，並有多種醫療方面的應用。
博士生Luna Rizik和Loai Danial與Mouna Habib博士一起，在以色列理工學院生物醫學工程學院的Ramez Daniel教授的指導下，與麻省理工學院合成生物學中心的Ron Weiss教授合作。他們從人工神經網路的運作方式中獲得了靈感，並透過將現有的基因進行程式設計或將基因以新的方式組合起來以合成計算電路，最後將神經形態電子學的概念落實到細菌中。研究最終成果是創造可以使用人工智慧演算法進行訓練的細菌。
該研究團隊創造的靈活細菌可以動態地進行程式設計，並能夠在至少一種或兩種測試物質之間進行切換（這些細菌能夠在執行OR和AND功能之間進行切換）。他們還能夠動態地改變其程式以應對在不同條件下執行不同的操作，創造和控制這一過程為更複雜的程式設計鋪路，使改造的細菌適合更複雜的任務。人工智慧演算法使科學家們能夠大幅減少時間和成本以對細菌進行所需的基因改造。該研究團隊更進一步地利用細菌的另一個自然屬性—他們能夠對濃度變化做出反應。利用人工智慧演算法，團隊成功地利用這種自然能力製作了一個類比數位轉換器，這是一個能夠顯示特定分子不同濃度的細菌。這樣一個感測器可以用來提供正確的藥物劑量，包括癌症免疫療法和糖尿病藥物。
研究團隊中的Luna Rizik博士和Mouna Habib博士來自生物醫學工程學院，而Loai Danial博士來自電子工程學院，正是將這兩個領域結合在一起使得該研究團隊在合成生物學領域有突破性的進展。這項研究得到了紐鮑爾家族基金會（Neubauer Family Foundation）、以色列科學基金會（ISF）、歐盟展望2020研究和創新計畫、以色列理工學院的Lorry I. Lokey生命科學和工程跨領域中心以及國防高級研究計畫局（Defense Advanced Research Projects Agency）的補助。
資料來源：
https://www.technion.ac.il/en/2022/11/ann-bacteria-biocomputer/
