在合成生物学领域，研究人员致力于设计能够像微型机器人一样工作的细胞，用于检测环境毒素、研发药物等。要实现这一目标，细胞系统需要具备逻辑运算和记忆存储功能，但此前大多数细胞的遗传回路只能有效完成其中一项。
“要构建复杂系统，不仅需要记忆功能，还需要逻辑运算，”麻省理工学院（MIT）电子工程和计算机科学系助理教授卢冠达（Timothy K. Lu）表示。这位青年科学家曾入选美国麻省理工学院百年期刊《技术评论》评选的世界青年科技创新家。
近期，卢冠达与同事们构建了第一个将逻辑运算和记忆功能结合起来的细菌细胞回路。该系统能够编码可遗传的DNA数据，并已在细菌中稳定传代90代。相关研究成果发表在2月的《自然·生物技术》（Nature Biotechnology）杂志上。
2009年，该研究组曾在《科学》（Science）杂志上发表文章，设计出一种特殊系统，能够激活大肠杆菌的某些基因，进行计数并“记住”细胞中发生的事件。该系统利用一系列重组酶反应，模仿计算机芯片制成，可用于统计细胞分裂次数、研究发育阶段，或作为生物传感器统计细胞接触不同毒素的次数。
在此基础上，卢冠达等人设计了一种新的回路系统，利用重组酶切断DNA片段并将其翻转，然后插入基因组中。这些DNA片段可以向上或向下翻转，类似于打开或关闭，对应二进制代码中的‘1’或‘0’。
如果DNA二进制阻碍了调控DNA（如激活基因表达的启动子），这种机制就能作为双输入逻辑门，检测多个输入并输出答案。输出是指该基因是否被激活。由于细菌基因组中的实际DNA发生稳定改变，输入被永久存储。研究人员证实，这些细胞能在至少90代内保持这些记忆。
通过这种方法，研究人员构建了一个复杂系统，其中重组酶靶向调控绿色荧光蛋白（GFP）表达基因启动子周围的DNA序列。他们在每个细胞中创建了总共16个双输入的布尔逻辑函数。例如，当重组酶“点开”靶向DNA序列时，启动子激活GFP基因，细胞表达GFP蛋白并发光。一旦这些序列被“关闭”，系统不会回到初始状态。因此，通过检测细胞GFP输出或测序存储的DNA数据，可以推测输入历史。
带有逻辑和记忆功能的遗传回路可用于追踪机体中疾病相关基因的开启或关闭，从而研究疾病进程。在生物技术领域，该系统可被用于编程细胞，使其在特定水平表达药物，无需持续刺激细胞，且后代也能生产药物。
卢冠达计划将这一系统延伸到真核生物中，希望设计出追踪干细胞复杂分化过程的遗传回路，从而找到获得所需细胞类型的方法。“我们希望能更有效地将细胞分化用于治疗目的，或者为研究这些途径的科学家们找出一种新工具，”他表示。
（生物通：张迪）