以電晶體模仿細胞

Mimicking cells with transistors
http://www.physorg.com/news/2011-09-mimicking-cells-transistors.html

By Larry Hardesty, September 28, 2011

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，那是對於細胞做什麼事，一種最初的、粗糙的、有用的粗略估計。不過每個都知道，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。

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