現(xiàn)代社會建立在硅芯片上。如果不將這些微小的塑料板嵌入文明結(jié)構(gòu)中，幾乎不可能想象生活。但是，因為最廣泛意義上的計算機只是信息處理機器，所以它們不必由硅構(gòu)建。我們可以將大腦，細菌，DNA分子甚至整個宇宙本身視為計算機。

許多研究人員正在研究這些自然系統(tǒng)的計算能力。科學(xué)家們正試圖修改這些生物計算機并利用其物質(zhì)特性，而不是承擔(dān)復(fù)制生物體內(nèi)部進化的精密分子機器的巨大挑戰(zhàn)。這可以讓我們建立生物機器人生產(chǎn)藥物或清理污染。

但我們?nèi)匀蝗鄙俚囊患率怯谰眯杂嬎銠C內(nèi)存的可靠生物版本。我們需要一種方法來構(gòu)建生物計算結(jié)果的分子記錄，因此結(jié)果可以比產(chǎn)生它們的活細胞壽命更長。最近的一項新研究通過建立能夠記住化學(xué)信號順序的細菌機器，使我們更接近這一目標。

現(xiàn)代計算機在硅通路周圍傳輸電子并處理表示為數(shù)字1和0的信息，如開關(guān)打開或關(guān)閉。另一方面，生物計算機是模擬機器，其表示具有物理量測量值的信息，例如分子濃度的滑動標度。

復(fù)雜的電路

在諸如細菌的活機器中，其電路以存儲在DNA 中的遺傳密碼的形式存在，其記錄使其成為滴答所需的所有基因。例如，在合成生物學(xué)中使用的標準細菌之一大腸桿菌中，遺傳密碼由大約4.6m個字符長的單個圓形染色體組成。計劃的不同部分直接對應(yīng)于生物體的不同部分，而不是被安排成“藍圖”，這種遺傳密碼或“基因組”采用幾乎難以想象的復(fù)雜電路的形式。

一個基因的產(chǎn)物可能會影響其他基因的行為，這些基因也可能受到外部環(huán)境的影響，等等。這產(chǎn)生了一系列化學(xué)信號，這是生物發(fā)育，生長和新陳代謝的核心。只有當(dāng)我們了解特定基因如何響應(yīng)不同類型和強度的信號時，我們才能將其添加到我們的修改生物計算機的潛在“部分”列表中。

我們距離完全了解大腸桿菌接線圖還有很長的路要走，但我們對它的特定區(qū)域了解得足以能夠修補新組件，或修改現(xiàn)有零件之間的連接。通過這種方式，我們可以在現(xiàn)有電路上搭載，并將新的，人工定義的功能引入到單元中，例如檢測光的能力。

然而，大多數(shù)現(xiàn)有生物設(shè)備經(jīng)常缺少的是永久性存儲。我們可以構(gòu)建合成電路而不是計算結(jié)果，但理想情況下我們也希望能夠記住它。大腸桿菌等細菌在覓食時，已經(jīng)通過向更強的營養(yǎng)素濃度移動而使用這種能力。

為了能夠做到這一點，bug必須能夠比較它們現(xiàn)在所處的位置。如果他們朝著正確的方向前進，事情變得越來越好，那么他們什么都不做，但如果事情變得更糟，他們就會采取行動(通過改變方向)。這種記憶能力對進化成功至關(guān)重要。如果要擴大未來的合成生物設(shè)備，我們需要找到一種可靠的方法來從分子構(gòu)建永久性記憶并使其在活細胞內(nèi)起作用。

存儲在電路中

研究人員使用基因組本身作為記憶的基礎(chǔ)，而不是使用分子濃度(隨時間衰減)來表示儲存值。通過在細胞中使用酶，我們現(xiàn)在能夠選擇性地刪除或“翻轉(zhuǎn)”細菌基因組的部分，因為它根據(jù)我們設(shè)計的特定“程序”電路處理信息。

通過這種方式，可以存儲計算結(jié)果，但是 - 更重要的是 - 它們在細胞分裂時繼承，并在世代傳承下來。這種持久記憶對于合成生物學(xué)的長期成功至關(guān)重要，因為它意味著計算結(jié)果可以比生成它們的單個細胞更長久。

關(guān)于該主題的最新研究將這一發(fā)展進一步發(fā)展。發(fā)表在“科學(xué)”雜志上的這項工作展示了如何利用這種方法建造能夠記住按下三個化學(xué)“按鈕”(信號)順序的細菌機器。雖然這項研究還處于起步階段，但作者認為這種方法可以應(yīng)用于哺乳動物細胞癌癥的研究。這是因為發(fā)生諸如突變之類的事件的順序可以影響疾病如何發(fā)揮并影響例如腫瘤細胞如何響應(yīng)靶向治療。

更一般地說，賦予細胞長期記憶能力的能力開辟了復(fù)雜的工程生物傳感器的可能性，這些生物傳感器可以存儲多代細胞事件的記錄。通過為活細胞提供內(nèi)置的“船長日志”，這有可能從根本上改變我們對衰老，疾病和生物發(fā)育的研究方式。