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    標題可以改成:以"類比電路"模仿細胞。"電晶體"太廣泛,這樣標題與內文給予的印象差距太多,感覺更有針對性一點比較好。

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以電晶體模仿細胞

當這個世界已變成較少類比且較多數位的時候 — 如錄音座與電視天線已被 MP3 播放器與串流影片所取代 — 電機工程師的思考習慣也跟著改變。在類比世界中,他們絕大部分都習慣就數量來思考,例如電壓,那是連續的,意指他們能採用無限範圍的值。現在他們傾向以 0s 與 1s 思考,數位邏輯的二元對立(binary oppositions)。

自人類基因組計畫(HGP)完成以來,二種欣欣向榮的學門 — 合成生物學(synthetic biology)與系統生物學(systems biology) — 已從觀察中浮現,在某方面上,導致蛋白質在細胞內製造的化學反應順序,看起來很像電子電路。一般來說,二種領域中的研究者傾向就二元對立來分析反應:若存在某種化學反應,就會發生某件事;若化學物質不存在,就會發生不同的事。

但 Rahul Sarpeshkar(MIT Research Laboratory of Electronics,RLE,的電機工程副教授)認為,那是錯誤的方向。"在細胞內的訊號並非 1 或 0," Sarpeshkar 表示。"那是一種過度簡化的抽象化,那是對於細胞能做什麼事,最初的、粗糙的、有用的粗略估計。不過每個人都知道,那真的是錯的。"

在 11 月於 San Diego 舉行的 Biomedical Circuits and Systems Conference 上,Sarpeshkar、研究科學家 Lorenzo Turicchia、博士後  Ramiz Daniel 與畢業生 Sung Sik Woo(這些都屬於 RLE),將針對一份論文進行簡報,在其中,他們使用類比電子電路來塑模細胞內蛋白質與 DNA 間,二種不同類型的交互作用。這些電路以非凡的準確度來模仿細胞的行為,但更重要的是,他們辦到這件事所用的電晶體數量遠少於數位模型所需要的數量。

這項研究或能指出生物系統的電子模擬方向,那在製作上不僅更簡單,且更精確外,運作還更有效率。那亦指出一種新的框架,用以分析及設計統御細胞行為的生化過程。

模糊地帶(Shades of gray)

電晶體基本上就是一種開關:當它開啟時,它會導電;當它關閉時,它就不會。在一個電腦晶片中,這二種狀態代表 0s 與 1s。

但是在不導電與導電態之間移動時,電晶體會經歷過中間的每種狀態 — 輕微的導電性、中等的導電性、完全的導電性 — 就好比一輛車從 0 加速到 60 時,會經歷過中間每種速度。因為電腦晶片中的電晶體預期要進行二元邏輯運算,所以它們被設計成使這些過渡狀態不可偵測。但 Sarpeshkar 等人正是要利用它這種過渡狀態。

“譬如,這個細胞是製造胰島素的胰細胞," Sarpeshkar 說。"那麼,當葡萄糖上升時,它會想要製造更多胰島素。但,那並非大霹靂。如果葡萄糖上升更多,它就會製造更多胰島素。如果葡萄糖下降一點,它就會至造少一點。那是梯度。那不是邏輯閘。"

把它當成一個類比裝置對待,一個電晶體擁有範圍無限的可能導電性,因此,它能夠塑模一種範圍無限的化學濃度。但是把它當一個二元開關對待時,電晶體只有二種可能的狀態,故塑模大量且範圍無限的濃度時,將需要一卡車電晶體。對於塑模細胞內之循序反應的大型電路而言,二元邏輯很快就會變成無法管理的複合體。但類比電路不會這樣。事實上,類比電路利用的相同類型物理現象,使細胞機器一開始就這麼有效率。

“如果你想一想,電子裝置是什麼?" Sarpeshkar 說。"那是電子的運動。那麼化學呢?化學是關於電子從某個原子或分子移動到另一個原子或分子。它們必定有深刻的連結:它們都與電子有關。"

驗證(Validation)

為了他們的新論文,RLE 研究者們完成他們自己的生物學實驗,測量細胞內二種不同蛋白質逐漸增加濃度的效應。二種蛋白質都會刺激細胞開始製造其他蛋白質,但它們以不同方式辦這件事:其中之一與一股 DNA 結合,並導致細胞開始製造某種特殊蛋白;另一個則使某種蛋白質鈍化,那種蛋白抑制了某種蛋白質的製造。

Sarpeshkar 等人能使用電路來塑模這些過程,而且每種過程只用八個電晶體。此外,這些電路結果證明正好形成彼此的鏡像,代表了「直接活化蛋白質製造」以及「使某種(鈍化他者的)鈍化劑鈍化」之間的差異性。最後,這些電路在塑模基因與蛋白質的交互作用上有著驚人的準確度。

“利用單一電晶體來實作整個等式的概念,無疑是種進步 — 那如果在數位電腦上實作,將用掉好幾行程式碼,而且如果你往設備裡面看,那將會是數百萬個電晶體," Gert Cauwenberghs 表示,UCSD 一位生物工程與生物學教授。"生物系統中極端的變異性,以及該系統仍能有彈性地應付變異性,暗示著,類比電路,那與熱力學原理有些類似,且內含雜訊,將是一個良好的實作平台。"

Cauwenberghs 告誡,為了對生物學有用,一個遺傳迴路的類比模型得要比 RLE 研究者的那一套還要更加複雜許多。建立這樣的模型,他說,在產生有關細胞內化學濃度的準確資料上,生物學家要完成的研究與電機工程師一樣多。但 “那無疑是這二個領域間的綜效," 他說。

資料來源:PHYSORG: Mimicking cells with transistors [September 28, 2011]

轉載自 only-perception

關於作者

妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D