创新背景

乐高积木可以以特定的方式手动连接在一起，来创建复杂的结构。如果我们能设计出像乐高积木一样的活体结构，它们可以自我复制和移动，并且可以通过编程生长和自我组装成任何想要的目标形状，会怎么样?

创新过程

由麻省理工学院教授Jörn Dunkel和亚利桑那大学的Ingmar Riedel-Kruse领导的跨学科研究团队开发了一个“实验-理论”平台。利用基因工程细菌和数学模型，他们能够编程细菌系统，使其生长成任意的二维目标结构。这项研究成果被刊登在《自然》杂志的封面上。文章标题为 4-bit adhesion logic enables universal multicellular interface patterning。

Riedel-Kruse实验室创造了一个生物工程工具箱，使他们能够控制活动细菌细胞的细胞间粘附特性。转基因细菌在细胞壁上生长特定的分子，这些分子充当合适伙伴细胞的停靠站。只有具有匹配分子的细胞才能相互粘附，而携带不匹配分子的细胞则会相互滑动。在二维营养表面的不同位置播种少量细菌后，细胞就会生长、分裂和移动。当粘附分子相匹配的两个细胞群体碰撞时，形成一个可见的固体界面，其位置和形状由初始播种位置和细胞浓度决定。

研究人员想要利用他们的生物工程工具箱创造出复杂的目标模式。为了实现这个目标，团队需要了解：实现任意接口模式需要多少不同的单元类型？如何设计相互作用的规则？要实现理想的二维结构，正确的播种条件是什么？

为了回答这些问题，研究团队试图建立一个数学模型，从而模拟细菌群的生长和动态，并预测界面模式的形成。

这个试错实验非常昂贵和耗时，因此研究人员开发并实现了一个模型，可以在几分钟内预测预期结果。

研究人员斯金纳把程序化细菌比作活的乐高积木。他表示，英格玛的实验室正在创造生物构建模块，而我们正在用我们的模型生成手册。他的实验室把细菌放在正确的位置——它们聚集、分裂，共同构建理想的目标形状。

下一步，该团队计划培育出三维结构，并为这种细菌增加额外的功能，比如在所需位置生产特定化学物质的能力。

创新关键点

研究团队将通过数学建模控制转基因细菌细胞间的粘附特性，加快了编程细菌系统的过程，使其自组装成所需的二维结构。

创新价值

这些独特的实验系统使探索一些基本的生物学问题成为可能：需要多少种细胞类型来生长特定的模式?DNA需要编码多少信息才能达到一定程度的结构复杂性?是什么控制着紧急形状?实验和模型预测之间良好的一致性使我们能够以非常低的成本使用计算机模拟来研究这些问题。除此之外，该研究还在生物材料设计方面提供了各种直接的实际应用。