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为解决可编程合成细胞构建难题，布里斯托大学研究人员开展 “Biocatalytic programming of protocell-embodied logic gates and circuits” 研究，利用声控图案化酶编码凝聚微滴构建原细胞体现的酶逻辑电路（EELCs），这为微型自主传感设备发展奠定基础。
在科技飞速发展的当下，计算机技术已深度融入生活的方方面面。传统的计算设备依靠电子信号处理信息，将输入信号转化为二进制代码进行运算。而大自然中，生物细胞则像是一个个精巧的微型工厂，它们运用独特的反应 - 扩散机制和多酶级联反应，处理各种化学信号来维持自身的新陈代谢和生理功能。细胞内的这种信号处理过程，与电子设备中的逻辑电路运作有着异曲同工之妙。近年来，科学家们受到自然细胞的启发，尝试构建具有类似功能的人工细胞模型，期望能在生物计算和传感领域取得突破。
然而，目前在该领域仍面临诸多挑战。一方面，虽然已有多种模拟细胞的体系被构建出来，如液 - 液相分离的凝聚微滴、胶体小体和蛋白质体等，但让这些模拟细胞群体执行生物催化布尔逻辑运算的研究还十分有限。另一方面，基于酶的逻辑电路在仿生环境中的构建和应用也尚未得到充分探索。在这样的背景下，为了推动可编程合成细胞的发展，英国布里斯托大学（University of Bristol）的研究人员开展了一项重要研究，相关成果发表在《Chem》上。
研究人员为实现这一目标，采用了声驻波技术。通过该技术，他们成功制备出酶编码的凝聚微滴的周期性微阵列，这些微阵列被用于构建体现酶逻辑电路（EELCs）。这一技术的关键在于，能够精确控制凝聚微滴的位置和排列，为后续的逻辑运算提供稳定的基础。
在研究结果部分：
- 酶编码原细胞内的逻辑门操作：研究人员以定制的声捕获装置为工具，制备了具有内源性荧光输出的原细胞体现的酶基布尔逻辑门。以二维阵列的凝聚微滴为平台，成功构建了 AND、OR、NOT 等多种逻辑门。比如，在构建 AND 门时，将葡萄糖脱氢酶（GDH）封装在声捕获的凝聚微滴中，加入葡萄糖和氧化型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）作为输入，只有当两者同时存在时，才会产生内源性蓝色荧光输出（还原型 NADH），这一现象充分验证了 AND 门的逻辑功能12。
- 可重构原细胞中的酶逻辑门操作：除了荧光输出，研究人员还将逻辑门的输出与凝聚微滴支架的结构重构（水凝胶化）或分解（自毁）相耦合。他们制备了基于不同酶促途径的 OR 门和 INHIBIT 逻辑门，通过控制输入底物，实现了对凝聚微滴状态的调控，进而产生相应的物理输出，如形成水凝胶网络或导致微滴解体34。
- 单个原细胞内的酶逻辑电路：研究人员进一步将不同的逻辑门串联，构建了具有更复杂功能的酶逻辑电路。在 PDDA/Fmoc - AA 凝聚微滴中构建了 OR/INHIBIT 逻辑电路，通过不同酶的协同作用和底物的输入，实现了基于酸碱反应和酶抑制的逻辑功能；在 PDDA/ATP 凝聚微滴中构建了 NOR/AND 电路，利用酶的相互作用实现了对荧光输出的调控；还在 PDDA/CMDex 凝聚微滴中构建了 OR/AND/AND 逻辑电路，验证了多输入多逻辑门协同工作的可行性56。
- 隔离原细胞群体中的集成酶逻辑电路：为了实现更高级的化学通信和信号处理，研究人员构建了跨不同原细胞模块的集成电路。通过在空间上分离的原细胞群体中分布和组合逻辑门操作，实现了长距离的集体信号处理。他们构建了 YES/YES/YES 和 YES/OR/OR 等连接方式的电路，验证了不同原细胞群体之间信号传递和逻辑运算的协调性78。
- 原细胞群体中集成反馈通路的工程构建：研究人员还探索了如何构建具有时间调节逻辑计算能力的集成 EELCs。通过建立负反馈回路，实现了脉冲生成和瞬态输出。在双模块原细胞群体中，利用葡萄糖作为输入，通过 GOx 和 GDH/HRP 的相互作用，产生了 NADH 荧光强度的振荡，实现了脉冲输出；通过在原细胞平台的自毁过程中动态耦合 EELCs 的操作，实现了自限制输出循环，进一步展示了对逻辑电路时间调控的能力910。
在研究结论与讨论部分，该研究成功开发了声控图案化的酶编码凝聚微滴微阵列，用于构建体现酶逻辑门和电路。这些电路能够在单个或隔离的原细胞群体中执行分布式布尔逻辑函数，展现出持续或瞬态的输出。通过工程化原细胞群体中的集成反馈通路，实现了时间调节的逻辑运算，如脉冲和瞬态输出的生成。这种高度适应性的 EELC 模块为智能微反应器平台和微型自主传感设备的发展提供了可能。研究人员还开发了基于原细胞体现的酶逻辑门的概念验证原细胞诊断平台，用于检测模拟尿液中的葡萄糖水平和混合物中的二糖。然而，目前基于酶的逻辑电路响应时间较长，这主要受到与凝聚成分的分子相互作用、微滴较高的粘度以及底物扩散速率受限等因素的影响。未来需要对这些物理化学性质进行精细调控，以构建更接近细胞代谢或信号通路的 EELCs，并实现与智能治疗系统相匹配的响应时间的复杂生化网络的运行。总体而言，该研究为生物计算和传感领域提供了新的思路和方法，在生物传感、医学诊断、治疗系统和环境监测等领域具有广阔的应用前景。
