细菌的虚拟现实

奥地利科学技术研究所(IST奥地利)的科学家通过将它们连接到计算机来控制个体细菌的行为。包括实验生物学家Remy Chait和数学家Jakob Ruess(现在法国巴斯德研究所和Inria Saclay研究所)以及Calin Guet和Gasper Tkacik教授在内的跨学科团队利用该设置建立了部分生活和部分数字化的遗传电路。在实验的概念证明中，它们使细菌中的基因表达振荡，并通过调节个体细菌之间的数字通信来控制振荡模式。这种生物数字混合技术的潜在应用可以使调试复杂的生物系统成为可能，就像调试复杂的计算机代码一样：

当合成生物学家想要设计能够完成某项任务的微生物作为其代谢周期的一部分时，例如产生抗癌药物或抗生素，他们通常必须对原始生物体进行大量改变。这些变化中的每一个都有一些影响，可能会干扰所有其他变化的影响，从而改变最终结果。“即使你了解不同部分的作用，你也不知道将它们放在一起会发生什么，”Remy Chait解释道。“它们之间存在反馈，使整个电路的行为无法预测。”

这个问题的潜在解决方案来自软件开发，称为单元和集成测试。在这种方法中，每个组件都单独进行测试，并研究其与周围环境的相互作用。最好的方法是模拟虚拟空间中的环境，让组件与虚拟世界交互。正是这种方法，研究人员现在提出也适用于生物系统。“生物系统很复杂，如果我们可以像计算机代码一样调试它们，我们会受益。在单元和集成测试中，您可以模拟环境并单独插入每个组件以验证它们是否按预期运行。然后将它们组合在一起通过这种方式，您将看到反馈和干扰在哪一点开始干扰系统，并进行适当调整，“Remy Chait说。通过迭代该方法，可以稳定地减少虚拟部分直到系统再次完全生物学，并且具有期望的功能。

研究人员证明了具有生物数字振荡器的生物数字混合动力车的可行性。在他们的设置，修改大肠杆菌细胞产生一种发蓝紫色荧光的蛋白质。这种彩色光形成与数字面的接口。每六分钟，计算机测量细胞产生多少光，并按比例累积虚拟信号分子。当信号超过某一阈值时，关闭细胞产生荧光蛋白。这是通过将红色或绿色光作为“关闭”或“开启”信号投射到光敏单元上并因此将数字组件连接回电路的活动部分的投影仪来完成的。“细胞与模拟环境相互作用。它们的作用会影响计算机的作用，计算机的作用会影响细胞的反应。如果你知道星际迷航你肯定听说过Holodeck。我们建立的基本上是一个简单的Holodeck微生物基因。“

当研究人员测试他们的混合电路时，细胞群以蓝紫色发光 - 并且发光振荡，尽管各个细菌之间存在差异。但研究人员希望细菌同步振荡，因此他们改变了数字组件并在细菌之间建立了虚拟通信网络。在这种设置中，一些虚拟信号在邻居之间分布，并且细菌群显示出不同类型的集体振荡。

研究人员平台的另一个应用是对单个细胞的反馈控制，这些细胞引导它们沿着预先指定的荧光基因表达轨迹。通过这种方式，他们可以使一组细胞随着时间的推移追踪图片或字母(见插图)。