科技日?qǐng)?bào)記者?張夢(mèng)然

細(xì)菌和超級(jí)計(jì)算機(jī)有什么區(qū)別？區(qū)別是細(xì)菌更“高級(jí)”，因?yàn)樗懈嗟幕芈泛透鼜?qiáng)的處理能力。

所有生命都在“計(jì)算”。從響應(yīng)化學(xué)信號(hào)的單個(gè)細(xì)胞，到在特定環(huán)境中航行的復(fù)雜生物體，信息處理是生命系統(tǒng)的核心。經(jīng)過數(shù)十年的嘗試，科學(xué)家終于開始收集細(xì)胞、分子甚至整個(gè)生物體，來為人類自己的目的執(zhí)行計(jì)算任務(wù)。

真菌可能與標(biāo)準(zhǔn)電子設(shè)備相連。
圖片來源：安德魯·阿達(dá)馬茨基

從本質(zhì)上講，計(jì)算機(jī)也只是信息處理器，而且人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到大自然擁有豐富的這種能力。最明顯的例子是復(fù)雜生物體的神經(jīng)系統(tǒng)，它能處理來自環(huán)境的大量數(shù)據(jù)并對(duì)各種復(fù)雜的行為“下指令”。但即使是最小的細(xì)胞，也充滿了復(fù)雜的生物分子通路，這些通路響應(yīng)輸入信號(hào)，打開和關(guān)閉基因、產(chǎn)生化學(xué)物質(zhì)或進(jìn)行自我組織。

最終，生命中所有令人難以置信的壯舉，都依賴于DNA存儲(chǔ)、復(fù)制和傳遞遺傳指令的能力。

如何構(gòu)建一臺(tái)生物計(jì)算機(jī)？

生物系統(tǒng)有自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：更緊湊、能源效率更高、可自我維持和自我修復(fù)，而且特別擅長處理來自自然界的信號(hào)。

在過去的20年里，強(qiáng)大的細(xì)胞和分子工程工具讓人們終于能在構(gòu)建生物計(jì)算機(jī)領(lǐng)域邁出一步。

美國麻省理工學(xué)院生物合成學(xué)家克里斯托弗·沃伊特說，該方法的核心是“生物電路”，類似于計(jì)算機(jī)中的電子電路。這些電路涉及各種生物分子相互作用以獲取輸入，并對(duì)其進(jìn)行處理以產(chǎn)生不同的輸出，就像它們的硅對(duì)應(yīng)物一樣。通過編輯支撐這些過程的遺傳指令，人們現(xiàn)在可以重新連接這些電路以執(zhí)行自然界從未計(jì)劃的功能。

2019年，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院利用CRISPR技術(shù)，構(gòu)建了相當(dāng)于計(jì)算機(jī)中央處理器（CPU）的生物等效物。這個(gè)CPU被插入一個(gè)細(xì)胞，在那里它調(diào)節(jié)不同基因的活動(dòng)以響應(yīng)專門設(shè)計(jì)的RNA序列，使細(xì)胞實(shí)現(xiàn)了類似于硅計(jì)算機(jī)中的邏輯門。

印度薩哈核物理研究所在2021年更進(jìn)一步，誘使一群大腸桿菌計(jì)算簡(jiǎn)單迷宮的解決方案。該電路分布在幾個(gè)大腸桿菌菌株之間，每個(gè)菌株都被設(shè)計(jì)用來解決部分問題。通過共享信息，該電路成功地實(shí)現(xiàn)了如何在多個(gè)迷宮中導(dǎo)航。

大多數(shù)生物系統(tǒng)并不同于經(jīng)典計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制邏輯，它們也不會(huì)像計(jì)算機(jī)芯片那樣一步步解決問題。它們充滿了重復(fù)、奇怪的反饋循環(huán)和以不同速度并排運(yùn)行的截然不同的過程。

更怪異的是，生物的計(jì)算能力還能完全脫離其自然環(huán)境。瑞典隆德大學(xué)科學(xué)家正在試驗(yàn)一種完全不同的生物計(jì)算方法，使用由分子馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的微小蛋白質(zhì)絲圍繞迷宮推進(jìn)。迷宮的結(jié)構(gòu)經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，而細(xì)絲能同時(shí)探索所有路線。這意味著解決更大的問題不需要更多的時(shí)間，只需要更多的細(xì)絲。

重新設(shè)計(jì)生物系統(tǒng)會(huì)帶來什么？

但美國馬薩諸塞州塔夫茨大學(xué)的邁克爾·萊文認(rèn)為，生命系統(tǒng)已經(jīng)在生物學(xué)的各個(gè)層面展示了令人驚嘆的計(jì)算壯舉，人們應(yīng)該將重點(diǎn)從嘗試重新設(shè)計(jì)生物系統(tǒng)，轉(zhuǎn)移到尋找與現(xiàn)有系統(tǒng)交互的方法。

萊文實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)證明，他們可以操縱細(xì)胞之間的電通信，幫助它們決定如何以及在哪里生長。舉個(gè)恐怖的例子，這可能讓蝌蚪的內(nèi)臟上長出眼睛，或讓青蛙長出額外的腿。它并不等同于計(jì)算，但團(tuán)隊(duì)認(rèn)為它代表了如何將自然界預(yù)先存在的電路折射為一個(gè)“新目標(biāo)”。類似的方法可用來解決廣泛的計(jì)算任務(wù)。

此外，真菌計(jì)算的深?yuàn)W領(lǐng)域也正在顯示其應(yīng)用潛力。英國布里斯托爾西英格蘭大學(xué)研究顯示，真菌在感知pH值、化學(xué)物質(zhì)、光線、重力和機(jī)械應(yīng)力等方面具有的能力令人印象深刻。它們似乎使用電活動(dòng)的尖峰進(jìn)行交流，這開辟了將它們與傳統(tǒng)電子設(shè)備連接的前景。

類器官智能有多智能？

要探尋生物計(jì)算，離不開人們迄今已知的最強(qiáng)大計(jì)算設(shè)備：大腦。

實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的腦細(xì)胞可用于計(jì)算。
圖片來源：托馬斯·哈滕/約翰斯·霍普金斯大學(xué)

當(dāng)前組織工程學(xué)的進(jìn)步意味著，科學(xué)家們可從干細(xì)胞中培育出相當(dāng)于微型大腦的復(fù)雜神經(jīng)元簇，也就是“大腦類器官”。與此同時(shí)，能將信號(hào)傳輸?shù)侥X細(xì)胞并能解碼它們的反應(yīng)，意味著人們已經(jīng)開始試驗(yàn)類器官的記憶和學(xué)習(xí)能力。

今年早些時(shí)候，美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)團(tuán)隊(duì)概述了“類器官智能”這一新領(lǐng)域的愿景。目標(biāo)與人工智能相反：他們不會(huì)讓計(jì)算機(jī)更像大腦，而是試圖讓腦細(xì)胞更像計(jì)算機(jī)。

初創(chuàng)公司Cortical已可訓(xùn)練在硅芯片上培養(yǎng)的人類腦細(xì)胞來玩電子乒乓游戲Pong。而在它們的新軟件中，任何具有基本編碼技能的人都能為“培養(yǎng)皿大腦”編程。

不過，所有這些生物計(jì)算方法目前都遠(yuǎn)未成為主流。與設(shè)計(jì)和制造硅芯片的能力相比，人們操縱生物學(xué)的能力仍處于初級(jí)階段。但生物計(jì)算的巨大潛力和投入生物技術(shù)的數(shù)十億美元，將在未來幾年為這個(gè)領(lǐng)域帶來快速進(jìn)步。