本文发表在《大众科学》的前博客网络中，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
在一些实验室中，生物学和计算机科学正在融合。一方面，计算机科学家正在努力创建受大脑电路启发的计算机芯片，另一方面，一些合成生物学家则致力于在活细胞内创建生物计算机。科学家和工程师们长期以来在计算机内部看到了生物学，在生物学内部看到了计算机，而两者之间奇异而美妙的融合、混合和重叠只会变得更加明显。
一篇非常酷的最新论文宣布构建了半机械人酵母：这些细胞包含工程化的遗传通路，可以通过来自计算机的外部信号进行控制。研究人员利用了植物中的两种蛋白质，它们控制植物在不同波长的光下的行为方式——在红光下，两种蛋白质相互结合并开启一个基因，在近红外光下，蛋白质分离，基因关闭。可以使用这些蛋白质对酵母进行工程改造，从而可以通过光控制黄色荧光蛋白的表达。
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反馈
工程系统和活细胞的控制方式都取决于反馈环。正反馈放大信号，就像麦克风拾取扬声器发出的声音一样，然后声音返回到扬声器，并以尖锐的恶性循环继续下去。
正反馈放大信号，而负反馈则通过输出与输入信号相反的信号来稳定信号。恒温器是一种负反馈设备；当温度高于设定点时，恒温器会降低热量，当温度过低时，恒温器会升高热量。自古代以来，负反馈装置就已在工程中使用，但直到詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在1868年发表的论文《论调速器》中才在理论上形式化。调速器是蒸汽机的一部分，确保发动机的速度保持恒定。当发动机加速时，调速器的主轴移动得更快，离心力将金属球向上推，拉动一个杠杆，该杠杆会降低发动机油门。当发动机减速时，球会回落，油门打开。
在20世纪40年代，从事电气工程、控制理论、通信理论和神经科学研究的研究人员开始在工程和生物学中看到无处不在的反馈环。一个新的领域诞生了，它将生物学和工程学结合在一起，通过工程范式解释生物学，并通过生物系统的控制方式影响工程设计。在控制论：或动物和机器中的控制与通信中，诺伯特·维纳讨论了命名这个新领域
就像科学家经常发生的那样，我们不得不创造至少一个人工的希腊语新词来填补空白。我们已决定将整个机器或动物的控制和通信理论领域称为控制论，该词源自希腊语 κυβερνήτης 或舵手。选择此术语时，我们希望承认…克拉克·麦克斯韦…并且调速器源自 κυβερνήτης 的拉丁语讹变。
反馈在生物学中无处不在，从神经回路到激素通路，再到基因表达环，维持体内平衡或放大控制胚胎发育等信号。当试图在第二次世界大战期间建立击落飞机的系统时，诺伯特·维纳开始看到控制理论和生物学之间的联系。反馈对于不断计算系统与飞机之间的距离并进行相应的调整是必要的。正如科学中经常发生的那样，关键的认识来自理解反馈环如何失败；当信号输入和负反馈环输出之间存在延迟时，输出可能会超出期望的目标，并使系统进入不受控制的振荡，因为反馈环不断尝试稳定系统并从上方和下方超出目标。维纳想知道引导防空导弹的反馈环是否与引导大脑感知身体位置并进行调整的反馈环有任何相似之处。与一位神经科医生交谈时，他了解到在小脑受到某些损伤后会发生类似的情况，患者在试图触及某些东西时会超出目标并进入称为目的震颤的振荡。告诉大脑手离物体有多远的反馈环没有足够快地获得信号来稳定手的运动，从而引发振荡。最近，这些类型的振荡已出现在负反馈遗传回路中，其中基因会自行关闭。当基因被激活和蛋白质产生之间存在延迟时，基因的活动将以取决于延迟长度的周期进行振荡。
维纳的《控制论》中一个引人入胜的部分讨论了如何通过连接多个“白盒”（内部工作原理预定义的简单系统）来合成“黑盒”（我们知道输入和输出但不知道内部处理的系统）。虽然我不理解维纳的盒子所涉及的所有电气工程方程，但我认为这对于合成生物学来说是一个非常有趣的隐喻。合成生物学家试图通过组合具有良好特征的功能的遗传部分的“白盒”来设计和构建生物功能，即细胞的“黑盒”。负反馈环可以产生开关和振荡器，而正反馈环可以放大信号以帮助细胞记住。
半机械人酵母
设计一个可以使蛋白质产生保持恒定的生物负反馈环是可能的，但非常具有挑战性，因为即使是研究得最好的生物“白盒”也可能以神秘的方式与细胞的其余部分相互作用。苏黎世联邦理工学院的穆斯塔法·哈马什和约翰·利格罗斯以及加州大学旧金山分校的哈娜·埃尔-萨马德的实验室之间的合作项目试图将此反馈环外包给计算机，以保持其工程酵母细胞中黄色荧光蛋白的水平恒定。这些“半机械人酵母”细胞在黑暗中保存，并由计算机监控黄色荧光水平。当计算机检测到荧光水平正在降低时，它会闪烁红光。当它感觉到荧光太高时，它会闪烁近红外光，从而关闭基因。借助计算机，相同的细胞可以在任意选择的水平上保持蛋白质水平恒定，这对于“传统”合成生物学而言几乎是不可能的任务。
这些半机械人酵母是控制论循环、计算机反馈循环控制生物稳态的有趣混合物，其应用不仅在实验生物学中，具有保持基因恒定并研究下游通路如何受到影响的能力，而且在生物技术中，其中分子的产生必须受到培养条件的严格控制，并且也许有一天会在可以在精确时刻控制药物释放的医疗设备中。计算机和生物学的隐喻和混合一直很复杂，而合成生物学和计算机科学之间的反馈只会继续自我放大并产生新的怪异的半机械人。