基于細(xì)胞-計(jì)算機(jī)交互的細(xì)胞控制方法

基于細(xì)胞—計(jì)算機(jī)交互的細(xì)胞控制方法摘要Wiener在控制論(Cybernetics)中強(qiáng)調(diào)了兩大類(lèi)控制對(duì)象：機(jī)器與動(dòng)物.半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，機(jī)器控制領(lǐng)域已形成一套較為完備且先進(jìn)的控制理論，而在生物控制方面，由于生物系統(tǒng)的特殊性和復(fù)雜性，對(duì)生命的基本組成單位一細(xì)胞的控制仍然進(jìn)展緩慢.近年來(lái)，隨著合成生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，基于細(xì)胞一計(jì)算機(jī)交互的胞外控制手段開(kāi)始引起研究者們的關(guān)注，為細(xì)胞控制帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇.胞機(jī)交互的方式能夠適應(yīng)生物系統(tǒng)的特殊性，發(fā)揮計(jì)算機(jī)控制的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的自動(dòng)化實(shí)時(shí)控制，為人類(lèi)研究細(xì)胞內(nèi)部基因調(diào)控機(jī)制與其他各項(xiàng)生命活動(dòng)提供了大量的數(shù)據(jù)與方法支持.本文根據(jù)目前基于胞機(jī)交互的細(xì)胞控制工作，歸納與總結(jié)了胞機(jī)交互中常用的生物學(xué)工具以及控制算法，分析了細(xì)胞控制的特殊性與難點(diǎn)，指出研究實(shí)現(xiàn)細(xì)胞智能控制的可行性與重要性.關(guān)鍵詞胞機(jī)交互，反饋控制，合成生物學(xué)，人工生物系統(tǒng)，光遺傳學(xué)ControlCellsBasedonCell-ComputerInterfacingAbstractWieneremphasizedtwomajorcategoriesofcontrolobjectsincybernetics:machinesandanimals.Inthepasthalfcentury,arelativelycompleteandadvancedcontroltheoryhasbeenformedinthefieldofmachinecontrol.However,duetotheparticularityandcomplexityofbiologicalsystems,thecontrolofcell,thebasicunitoflife,isstillprogressingslowly.Inrecentyears,withthedevelopmentofsyntheticbiologytools,insilicocontrolmethodsbasedoncell-computerinterfacinghasdrawnresearchers'attention,bringingunprecedentedopportunitiesforcellcontrol.Thesemethodscanadapttotheparticularityofbiologicalsystem,takeadvantagesofinsilicocontrol,realizeautomaticreal-timecellcontrolandprovidealargeamountofdataandmethodsforhumanresearchonendogenousgeneregulationmechanismorotheractivities.Basedoncurrentprogress,thisreviewsummarizedthebiologicaltoolsandcontrolalgorithmsusedincell-machineinterfacing,illustratedtheparticularitiesanddifficultiesandpointedoutthefeasibilityandimportancetoachieveintelligentcellcontrol.KeywordsCell-computerinterfacing,feedbackcontrol,syntheticbiology,artificialbiosystem,optogeneticsCitationYanQian-Ming,ZhangPeng-Cheng,QiaoRong,GuJin,WangXiao-Wo.Controlcellsbasedoncellcomputerinterfacing.ActaAutomaticaSinica,2021,47(3):489-5001948年，Wiener在其著作《控制論：關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》中首次提出了“控制論”的概念，闡述了自然科學(xué)以及社會(huì)科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的控制思想，強(qiáng)調(diào)了對(duì)生命與機(jī)器統(tǒng)一的控制規(guī)律，奠定了“控制論”的基礎(chǔ).同時(shí)，它提出了兩大類(lèi)控制對(duì)象,即無(wú)生命的機(jī)器和有生命的動(dòng)物1\o"CurrentDocument"11.大半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，機(jī)器控制領(lǐng)域不斷有著突破性的進(jìn)展，已經(jīng)逐漸形成一套較為完備且先進(jìn)的控制理論，并廣泛應(yīng)用于各種工程項(xiàng)目中1948年，Wiener在其著作《控制論：關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊的科學(xué)》中首次提出了“控制論”的概念，闡述了自然科學(xué)以及社會(huì)科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的控制思想，強(qiáng)調(diào)了對(duì)生命與機(jī)器統(tǒng)一的控制規(guī)律，奠定了“控制論”的基礎(chǔ).同時(shí)，它提出了然而，長(zhǎng)期以來(lái)，由于生物系\o"CurrentDocument"統(tǒng)\o"CurrentDocument"的強(qiáng)復(fù)雜性以及基因表達(dá)的高隨機(jī)性等諸多原因1\o"CurrentDocument"2-\o"CurrentDocument"31,細(xì)胞控制研究進(jìn)展緩慢.隨著合成生物學(xué)與系統(tǒng)生物學(xué)的不斷發(fā)展以及相關(guān)技術(shù)的逐漸成熟，人們對(duì)細(xì)胞內(nèi)的生命過(guò)程以及細(xì)胞間相互作用機(jī)制的理解日益深入,并開(kāi)始利用合成基因線(xiàn)路對(duì)細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)及其他圖1圖1利用人工合成基因線(xiàn)路控制細(xì)胞的基因表達(dá)Fig.1Controlgeneexpressionusingartificialsyntheticgenecircuits生命活動(dòng)進(jìn)行控制，構(gòu)成人工生物系統(tǒng).在合成生物學(xué)領(lǐng)域，抑制子振蕩器1\o"CurrentDocument"41與雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)模型\o"CurrentDocument"同是兩個(gè)經(jīng)典的人工合成基因線(xiàn)路.抑制子振蕩器通過(guò)三個(gè)互相抑制的基因線(xiàn)路（tetR,入cI,lacI）構(gòu)成基因網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)給予一定初始濃度的誘導(dǎo)物時(shí)，三個(gè)基因的表達(dá)會(huì)呈現(xiàn)出振蕩特性（\o"CurrentDocument"圖1（a））.而雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)模型則是通過(guò)兩個(gè)互相抑制的基因線(xiàn)路（lacI,tetR）以及能夠分別抑制兩種基因表達(dá)產(chǎn)物的化學(xué)誘導(dǎo)劑來(lái)實(shí)現(xiàn)類(lèi)似開(kāi)關(guān)的雙穩(wěn)態(tài)特性（\o"CurrentDocument"圖1（b））.它們都是以互相抑制的基因線(xiàn)路構(gòu)成負(fù)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)基因表達(dá)特性的調(diào)控.實(shí)際上，反饋機(jī)制大量存在于細(xì)胞內(nèi)源的基因網(wǎng)絡(luò)中，目前也已經(jīng)有許多工作通過(guò)向細(xì)胞中引入人工反饋環(huán)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)基因表達(dá)量、表達(dá)噪聲以及表達(dá)穩(wěn)定性的調(diào)控1\o"CurrentDocument"6-\o"CurrentDocument"141.雖然通過(guò)合成基因線(xiàn)路，人們能夠?qū)?xì)胞的生命活動(dòng)進(jìn)行調(diào)控，但是傳統(tǒng)的基因線(xiàn)路存在著以下局限性：1）設(shè)計(jì)符合要求的基因線(xiàn)路十分困難，需要考慮元件功能、元件正交性、穩(wěn)定性等諸多因素.2）基因線(xiàn)路的規(guī)模受到細(xì)胞環(huán)境和細(xì)胞內(nèi)資源的限制，因而難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的生物功能.3）基因線(xiàn)路的調(diào)控是“一次性”的.一旦合成基因線(xiàn)路導(dǎo)入質(zhì)粒并轉(zhuǎn)化到細(xì)胞中，其調(diào)控模式就不可更改.如果調(diào)控結(jié)果無(wú)法達(dá)到預(yù)期，研究者需要修改甚至重新設(shè)計(jì)基因線(xiàn)路，材料消耗大，時(shí)間周期長(zhǎng)，可調(diào)節(jié)性弱\o"CurrentDocument"略6].相較于此，科學(xué)家們更期望設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)便、高效的細(xì)胞控制模式，通過(guò)細(xì)胞的實(shí)時(shí)響應(yīng)，研究其內(nèi)部線(xiàn)路的動(dòng)態(tài)特性.近年來(lái)，控制遺傳學(xué)（Cybergenetics）概念的提出使科學(xué)家們開(kāi)始關(guān)注和探索一種全新的基于細(xì)胞一計(jì)算機(jī)交互（以下簡(jiǎn)稱(chēng)胞機(jī)交互）的體外細(xì)胞控制模式[\o"CurrentDocument"16-\o"CurrentDocument"17].它類(lèi)比自動(dòng)控制領(lǐng)域中由控制器、執(zhí)行器、被控對(duì)象、測(cè)量變送器構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：以計(jì)算機(jī)為控制器，通過(guò)運(yùn)行相應(yīng)的控制算法，不斷對(duì)測(cè)量變送器的反饋信號(hào)進(jìn)行處理并施加相應(yīng)的控制信號(hào)；以光源、加藥泵等能直接控制細(xì)胞內(nèi)基因線(xiàn)路的工具為執(zhí)行器，將來(lái)自控制器的控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的形式；以細(xì)胞內(nèi)的基因線(xiàn)路為被控對(duì)象，接受來(lái)自執(zhí)行器的輸入并將自身的響應(yīng)由測(cè)量變送器返回給控制器；以顯微鏡、相機(jī)等作為測(cè)量變送器,將輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為能被控制器識(shí)別的熒光圖像、細(xì)胞影像等形式（\o"CurrentDocument"圖2）.由于計(jì)算機(jī)程序運(yùn)算準(zhǔn)確、響應(yīng)快速、易于修改，胞機(jī)交互系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)細(xì)胞表達(dá)量，并通過(guò)程序計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻所需的控制輸入量，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)細(xì)胞控制.并且，相比于要在細(xì)胞內(nèi)部完成復(fù)雜計(jì)算、控制功能的基因線(xiàn)路，通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)完成控制運(yùn)算可以顯著減小基因線(xiàn)路規(guī)模和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難度.在計(jì)算機(jī)與細(xì)胞的連接過(guò)程中，執(zhí)行器的控制信號(hào)與測(cè)量變送器的反饋信號(hào)對(duì)細(xì)胞狀態(tài)進(jìn)行著實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測(cè)，起到關(guān)鍵的接口作用.控制信號(hào)不僅應(yīng)當(dāng)在維持細(xì)胞內(nèi)部其他生理功能正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，激發(fā)細(xì)胞內(nèi)部基因線(xiàn)路的表達(dá)，還需要能夠被計(jì)算機(jī)精準(zhǔn)地調(diào)節(jié)，根據(jù)當(dāng)前的細(xì)胞狀態(tài)快速改變?nèi)≈?而反饋信號(hào)則應(yīng)當(dāng)真實(shí)反映細(xì)胞的狀態(tài)變化,并將其轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠準(zhǔn)確識(shí)別和處理的形式.目前常用作細(xì)胞控制信號(hào)的有化學(xué)誘導(dǎo)因子|\o"CurrentDocument"18-\o"CurrentDocument"241,環(huán)境因素如滲透壓\o"CurrentDocument"朗、溫度1\o"CurrentDocument"261等，特別地，隨著近幾年各種光遺傳學(xué)工具的發(fā)現(xiàn)，使用不同波長(zhǎng)的光照控制細(xì)胞活動(dòng)成為了一大焦點(diǎn)，許多合成生物學(xué)家開(kāi)始利用光作為控制信號(hào)1\o"CurrentDocument"27-361.相比于化學(xué)藥物以及環(huán)境因素，光照對(duì)細(xì)胞的損傷更小，可控性更強(qiáng),操作也更簡(jiǎn)便.對(duì)于反饋信號(hào)，由于計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的成熟，目前的方法通常是由計(jì)算機(jī)對(duì)顯微鏡下細(xì)胞的熒光圖像或影像進(jìn)行分析，得到細(xì)胞形態(tài)、位置、熒光強(qiáng)度等一系列參數(shù)信息，用于控制信號(hào)的計(jì)算|32'361.

計(jì)算機(jī)*?、熒光成像細(xì)胞影像細(xì)胞狀態(tài)讀取微流控系統(tǒng)能夠直觀反映當(dāng)前時(shí)刻細(xì)胞狀態(tài)的輸出變量是必不可少的計(jì)算機(jī)*?、熒光成像細(xì)胞影像細(xì)胞狀態(tài)讀取微流控系統(tǒng)能夠直觀反映當(dāng)前時(shí)刻細(xì)胞狀態(tài)的輸出變量是必不可少的.熒光成像、細(xì)胞影像等常用狀態(tài)反映手段都是將不可測(cè)的細(xì)胞狀態(tài)轉(zhuǎn)化為易于觀察分析的變量.通過(guò)合成生物學(xué)技術(shù)在細(xì)胞內(nèi)嵌入標(biāo)記信號(hào),mg\卿匾＞'、加藥設(shè)備胞機(jī)交互系統(tǒng)顯微成像系統(tǒng)光學(xué)信號(hào)化學(xué)信號(hào)合線(xiàn)路細(xì)胞控制信號(hào)輸入胞機(jī)交互系統(tǒng)顯微成像系統(tǒng)光學(xué)信號(hào)化學(xué)信號(hào)合線(xiàn)路細(xì)胞圖2胞機(jī)交互系統(tǒng)示意圖Fig.2Aschemeforcell-computerinterface本文著眼于近年來(lái)胞機(jī)交互控制模式在細(xì)胞控制領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展，對(duì)已有的相關(guān)工作進(jìn)行總體概述，介紹其中所用的細(xì)胞狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制手段以及相關(guān)控制算法，重點(diǎn)闡述生物系統(tǒng)的復(fù)雜性以及控制算法在細(xì)胞中實(shí)現(xiàn)的特殊性與挑戰(zhàn)，展望細(xì)胞控制未來(lái)的發(fā)展方向，特別是國(guó)內(nèi)在此領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與前景.胞機(jī)交互中耦合接口的實(shí)現(xiàn)在胞機(jī)交互系統(tǒng)中，細(xì)胞的培養(yǎng)、狀態(tài)的讀寫(xiě)是進(jìn)行細(xì)胞控制的前提，它們?cè)诒ＷC細(xì)胞活性的前提下，構(gòu)成了細(xì)胞與計(jì)算機(jī)耦合的接口.活細(xì)胞與計(jì)算機(jī)的耦合依賴(lài)于對(duì)細(xì)胞狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，即細(xì)胞狀態(tài)參數(shù)的讀取和控制信號(hào)的寫(xiě)入.以合成生物學(xué)技術(shù)為主要技術(shù)的人工基因線(xiàn)路為我們實(shí)現(xiàn)這種細(xì)胞一計(jì)算機(jī)之間的耦合接口創(chuàng)造了條件.目前，合成生物學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，使得我們可以合成任意排列的DNA序列，從而按照功能需求來(lái)設(shè)計(jì)和構(gòu)建人工的基因線(xiàn)路.將這種特定功能的基因線(xiàn)路植入細(xì)胞，充當(dāng)細(xì)胞內(nèi)的生物傳感器"件研究者就可以通過(guò)其檢測(cè)活細(xì)胞內(nèi)的代謝物、RNA、蛋白等生物分子狀態(tài)的變化，并將其轉(zhuǎn)換為熒光亮度等易于被硅基系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的輸出信號(hào)|39-411.同樣，利用人工基因線(xiàn)路編碼特定蛋白來(lái)接受人為控制的化學(xué)藥物、滲透壓、光照等控制信號(hào)，并將信號(hào)接入到細(xì)胞內(nèi)源的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，就可以將細(xì)胞納入控制系統(tǒng)的閉環(huán).本部分將從細(xì)胞控制的需求出發(fā)，簡(jiǎn)要地介紹細(xì)胞培養(yǎng)與實(shí)現(xiàn)細(xì)胞與計(jì)算機(jī)兩方面耦合接口所依賴(lài)的相關(guān)技術(shù)、培養(yǎng)平臺(tái)以及常用的控制信號(hào).計(jì)算機(jī)對(duì)細(xì)胞的狀態(tài)參數(shù)讀取要實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞實(shí)時(shí)施加合適的控制信號(hào)，選擇利用熒光成像技術(shù)，如熒光蛋白、mRNA探針、免疫雜交反應(yīng)等，可以快速測(cè)量活細(xì)胞內(nèi)的生物分子信號(hào)，從而直觀地反映基因表達(dá)水平；而通過(guò)一系列圖像處理技術(shù)，細(xì)胞影像也能提供豐富的狀態(tài)信息,包括細(xì)胞形態(tài)、位置以及其他與研究問(wèn)題相關(guān)的動(dòng)力學(xué)參數(shù).除此以外，細(xì)胞的外泌物如細(xì)胞因子、代謝物質(zhì)、外泌體等也有潛力用于細(xì)胞狀態(tài)的監(jiān)測(cè).細(xì)胞影像的處理過(guò)程一般包括細(xì)胞分割與細(xì)胞追蹤兩個(gè)階段，針對(duì)影像的每一幀，我們首先將細(xì)胞識(shí)別并分割出來(lái)，分割的方式既可采用數(shù)字圖像處理的方法，如閾值法、分水嶺算法等，也可以采用如文獻(xiàn)［42-43］的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法.在分割出每一幀的細(xì)胞之后，我們需要將同一個(gè)細(xì)胞在不同幀的位置聯(lián)系起來(lái)，即細(xì)胞追蹤.細(xì)胞追蹤的方法大致可分為基于運(yùn)動(dòng)模型的方法［44］和基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的方法"：基于運(yùn)動(dòng)模型的方法要求對(duì)細(xì)胞的外形、移動(dòng)、交互、碰撞、遮擋等活動(dòng)進(jìn)行建模，然后采用卡爾曼濾波等方法根據(jù)歷史幀信息對(duì)當(dāng)前幀細(xì)胞位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)比較預(yù)測(cè)結(jié)果與當(dāng)前幀細(xì)胞位置的相似程度，確定兩個(gè)細(xì)胞是否應(yīng)被視為同一目標(biāo).而基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的方法則要求提取細(xì)胞的外形、位置等多維特征，依據(jù)提取的特征對(duì)不同幀細(xì)胞之間進(jìn)行匹配.細(xì)胞追蹤完成后，我們就可以從圖像中讀出各個(gè)細(xì)胞當(dāng)前的具體狀態(tài)，從而根據(jù)控制算法改變控制信號(hào)的輸入.而在實(shí)際操作中，由于活細(xì)胞體積微小、數(shù)量眾多且活動(dòng)范圍較大，想要在顯微鏡下跟蹤細(xì)胞狀態(tài)、直接運(yùn)行圖像處理算法獲得狀態(tài)參數(shù)、對(duì)每個(gè)細(xì)胞都施加精準(zhǔn)的控制信號(hào)是十分困難的.并且,長(zhǎng)時(shí)間控制細(xì)胞需要維持細(xì)胞的活性，為細(xì)胞提供合適的生長(zhǎng)環(huán)境與充足的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì).因此，胞機(jī)交互的培養(yǎng)平臺(tái)需要能夠維持細(xì)胞的長(zhǎng)期生存；適當(dāng)限制細(xì)胞的活動(dòng)范圍，以便于跟蹤每個(gè)細(xì)胞的位置;在單細(xì)胞水平上進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)的讀取以及控制信號(hào)的精準(zhǔn)寫(xiě)入等.在目前的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)中，微流控是能夠滿(mǎn)足上述條件的一種培養(yǎng)系統(tǒng)［46-54］.微流控采用微管道技術(shù)，以精確、自動(dòng)化的控制進(jìn)行微小體積液體的操作，能夠同時(shí)并行多個(gè)實(shí)驗(yàn)，并最大限度地減少手工操作帶來(lái)的誤差，在單細(xì)胞水平上精確地控制細(xì)胞.同時(shí)，通過(guò)將細(xì)胞限制在長(zhǎng)窄通道［47］或是小培養(yǎng)室［51］內(nèi)，微流控能最大程度地及時(shí)排出增殖的細(xì)胞，避免細(xì)胞擁擠，限制

細(xì)胞的活動(dòng)范圍，使細(xì)胞位置易于追蹤，簡(jiǎn)化控制信號(hào)與被控細(xì)胞間的校準(zhǔn)問(wèn)題.結(jié)合顯微鏡成像技術(shù)，研究者們能夠在單細(xì)胞水平上得到微流控平臺(tái)中細(xì)胞的實(shí)時(shí)影像，進(jìn)而通過(guò)圖像處理技術(shù)，快速計(jì)算讀取細(xì)胞反饋回的狀態(tài)參數(shù)，極大地便利了胞機(jī)交互的實(shí)施.計(jì)算機(jī)對(duì)細(xì)胞的控制信號(hào)寫(xiě)入隨著合成生物學(xué)的發(fā)展，人工生物系統(tǒng)能夠感知的信號(hào)類(lèi)型越來(lái)越豐富，人們對(duì)細(xì)胞的控制手段也越來(lái)越多樣化.從傳統(tǒng)生物學(xué)采用的溫度、營(yíng)養(yǎng)和化學(xué)試劑等控制手段\o"CurrentDocument"如66-661,到當(dāng)前合成生物學(xué)中采用的化學(xué)小分子信號(hào)，磁信號(hào)167-601,電信號(hào)161-621和光信號(hào)163-661等，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)相關(guān)執(zhí)行器的控制,并以細(xì)胞中導(dǎo)入的人工合成基因線(xiàn)路作為媒介，對(duì)細(xì)胞內(nèi)的分子狀態(tài)和基因表達(dá)狀態(tài)進(jìn)行控制，人們控制細(xì)胞的手段逐漸擴(kuò)展并相互融合.采用化學(xué)信號(hào)控制的分子開(kāi)關(guān)在整個(gè)合成生物學(xué)的發(fā)展過(guò)程中起著核心作用1381,但隨著合成生物學(xué)的發(fā)展，人們也逐漸意識(shí)到化學(xué)信號(hào)的固有缺陷,誘導(dǎo)劑的難以去除，誘導(dǎo)劑的毒害性，擴(kuò)散效應(yīng)的滯后性等問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)出來(lái).同時(shí)，隨著對(duì)生物系統(tǒng)的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，研究者們發(fā)現(xiàn)，通過(guò)相關(guān)基因線(xiàn)路的設(shè)計(jì)，將細(xì)胞改造為能夠接收光、電、磁等控制信號(hào)的細(xì)胞，同樣能實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞的調(diào)控.其中由于光學(xué)信號(hào)具備時(shí)間和空間上的高分辨率和可逆性,光遺傳學(xué)在近十幾年內(nèi)發(fā)展迅速，研究者們已經(jīng)在細(xì)菌"、酵母1681和哺乳動(dòng)物細(xì)胞1691內(nèi)設(shè)計(jì)出了可用的光遺傳學(xué)工具，極大地拓寬了人們控制細(xì)胞的手段.隨著光遺傳學(xué)的逐漸發(fā)展，各類(lèi)光敏元件逐漸被發(fā)現(xiàn)或人工構(gòu)建，在細(xì)菌和真核生物中的光傳感器均已能夠感知紫外光、藍(lán)光、綠光和紅光等不同波長(zhǎng)的光信號(hào)如.光傳感器接收特定波長(zhǎng)的光信號(hào)后會(huì)發(fā)生蛋白結(jié)構(gòu)的變化，例如蛋白封閉、二聚反應(yīng)、齊聚反應(yīng)和解聚反應(yīng)等1711.光遺傳學(xué)系統(tǒng)通常可以根據(jù)光傳感器的參與組分分為兩類(lèi)，第一類(lèi)為單組分系統(tǒng)(One-componentsystem),光傳感器游離在細(xì)胞質(zhì)中，接受光信號(hào)后發(fā)生結(jié)構(gòu)變化進(jìn)而調(diào)控基因表達(dá).另一類(lèi)為雙組分系統(tǒng)(Two-componentsystem),需要細(xì)胞膜上光傳感器蛋白接受光信號(hào)后，通過(guò)磷酸化途徑和輔因子傳遞給細(xì)胞質(zhì)蛋白再進(jìn)行基因的表達(dá)調(diào)控.1)單組分系統(tǒng)：?jiǎn)谓M分系統(tǒng)中光傳感器能夠在接受特定光信號(hào)后，直接使蛋白結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化，導(dǎo)致蛋白活性產(chǎn)生影響，而不需要輔因子的參與其主要為包含LOV結(jié)構(gòu)域(Light-oxygen-voltagesensingdomain)類(lèi)型的光敏元件(圖3(a)).例如,利用EL222蛋白設(shè)計(jì)的光敏啟動(dòng)子，能夠在藍(lán)光照射下形成二聚體蛋白，結(jié)合特定DNA序列進(jìn)行基因表達(dá)調(diào)控［72］.2)雙組分系統(tǒng)：雙組分的光響應(yīng)系統(tǒng)在接受光信號(hào)后，需要特定的輔因子進(jìn)行活性調(diào)節(jié)，將信號(hào)通過(guò)磷酸化作用進(jìn)一步轉(zhuǎn)遞，直到終末蛋白對(duì)特定的啟動(dòng)子進(jìn)行調(diào)控(\o"CurrentDocument"圖3(b)).例如紫外光響應(yīng)系統(tǒng)UirS/UirR",藍(lán)光響應(yīng)系統(tǒng)YF1/FixJ［7%綠光響應(yīng)系統(tǒng)CcaS/CcaR?%紅光響應(yīng)系統(tǒng)Cph8/OmpR［67］均為雙組分系統(tǒng)，需要一定的輔因子參與級(jí)聯(lián)反應(yīng).近年來(lái)光遺傳學(xué)的迅速發(fā)展為人們進(jìn)行細(xì)胞控制提供了一種更有效和準(zhǔn)確的途徑.例如在\o"CurrentDocument"圖3(c)中，我們參照文獻(xiàn)［76］中構(gòu)建的光控基因表達(dá)系統(tǒng),將感光基因線(xiàn)路導(dǎo)入細(xì)胞，通過(guò)投影儀照射，使處在特定位置的細(xì)菌表達(dá)色素基因，與相應(yīng)的底物反應(yīng)，從而顯示出所照射的圖像，展現(xiàn)了利用光照作為控制信號(hào)的有效性與精準(zhǔn)性.光的高分辨率和高度可控性，為保證細(xì)胞控制輸入信號(hào)的穩(wěn)定性提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).但目前光遺傳學(xué)元件尚處于發(fā)展階段，一些問(wèn)題仍需解決，例如，光控基因表達(dá)本底較高、光敏元件交叉反應(yīng)［77］等.胞機(jī)交互中的控制方法在控制領(lǐng)域中，控制方式可根據(jù)是否存在反饋分為閉環(huán)控制與開(kāi)環(huán)控制，這對(duì)于細(xì)胞的控制同樣適用.開(kāi)環(huán)控制需要選擇合適的輸入量與輸出量,通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和系統(tǒng)辨識(shí)的方法對(duì)所研究的生物系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確的建模，然后根據(jù)模型和輸出期望值計(jì)算得到所需輸入，一次性施加到生物系統(tǒng)當(dāng)中.2014年，萊斯大學(xué)的Olson等［34］在大腸桿菌細(xì)胞中建立了一套精確的數(shù)學(xué)模型，以多種波長(zhǎng)的光照序列開(kāi)環(huán)調(diào)控大腸桿菌基因表達(dá)量隨時(shí)間的變化,得到了可以產(chǎn)生自定義波形的生物信號(hào)發(fā)生器.2017年,該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步增強(qiáng)了模型的定量預(yù)測(cè)能力，優(yōu)化了模型參數(shù)的校準(zhǔn)過(guò)程,使多路光遺傳學(xué)系統(tǒng)能夠同時(shí)對(duì)細(xì)胞的基因表達(dá)進(jìn)行穩(wěn)定控制［36］.然而，在生物系統(tǒng)中，各項(xiàng)生命活動(dòng)的影響因素很多，如果將所有影響因素都納入考慮，會(huì)使模型變得極為復(fù)雜甚至不可解，因此，對(duì)所有系統(tǒng)都進(jìn)行精確地建模是十分困難的.一般在建模時(shí)，我們僅可能考慮理想情況下存在的主要生命活動(dòng)和反應(yīng)，這實(shí)際上是對(duì)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化，只能在一定程度上體現(xiàn)基因網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性.并且，模型參數(shù)的精確性依賴(lài)于特定的培養(yǎng)環(huán)境，當(dāng)環(huán)境出現(xiàn)變化和擾動(dòng)時(shí)，預(yù)測(cè)精度就會(huì)下降，所以開(kāi)環(huán)系統(tǒng)一般不適用于對(duì)細(xì)胞的長(zhǎng)期控制［\o"CurrentDocument"27］.閉環(huán)系統(tǒng)則不同，它細(xì)胞膜光照夕光敏蛋白表達(dá)產(chǎn)物細(xì)胞膜o光敏蛋白-T-O—調(diào)節(jié)蛋白表達(dá)產(chǎn)物(b)雙組分系統(tǒng)(b)Two-componentsystem投影儀藍(lán)光450nm含菌培養(yǎng)皿(c)“細(xì)胞畫(huà)”系統(tǒng)原理圖(c)Schematicdiagramforcellpaintingsystem(a)單組分系統(tǒng)(a)One-componentsystem圖案生成圖3 利用光遺傳學(xué)工具控制細(xì)胞的基因表達(dá)Fig.3Controlgeneexpressionusingoptogenetictools根據(jù)當(dāng)前的實(shí)際輸出與期望輸出的誤差來(lái)實(shí)時(shí)改變控制量輸入，從而對(duì)意外的擾動(dòng)和噪聲有更強(qiáng)的抑制或補(bǔ)償作用，相較開(kāi)環(huán)控制能更好地減小誤差,降低對(duì)模型精度的要求，增強(qiáng)穩(wěn)定性.因此，目前大多數(shù)細(xì)胞控制工作所采用的控制方式都是反饋控制\o"CurrentDocument"的本節(jié)重點(diǎn)針對(duì)反饋控制算法在細(xì)胞控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，比較各控制算法在細(xì)胞控制問(wèn)題上的性能優(yōu)劣，歸納和總結(jié)細(xì)胞控制與機(jī)器控制的不同點(diǎn)和難點(diǎn).2.1 控制算法在細(xì)胞中的應(yīng)用在胞機(jī)交互的控制體系下，控制算法由計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，并通過(guò)藥物濃度、光照強(qiáng)度、波長(zhǎng)等控制信號(hào)與細(xì)胞連接，研究者可以根據(jù)具體情況選擇、設(shè)計(jì)和運(yùn)用各種合適的控制算法.在控制領(lǐng)域中,使用最廣泛的控制方法當(dāng)屬比例一積分一微分控制(Proportional-Integral-Derivativecontrol,PID),它通過(guò)實(shí)際輸出與期望輸出之間誤差的比例、積分、微分項(xiàng)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控.2011年，PI控制算法首次被用于調(diào)控蛋白質(zhì)的定位過(guò)程，通過(guò)引入Phy-PIF光遺傳學(xué)系統(tǒng)，并構(gòu)造帶有光敏素互作因子(Phytochrome-interactingfactor,PIF)標(biāo)記的融合蛋白，細(xì)胞膜就能夠隨不同的發(fā)光二極管(Lightemittingdiode,LED)照射改變招募蛋白的強(qiáng)度,而計(jì)算機(jī)又反過(guò)來(lái)通過(guò)招募蛋白的程度調(diào)整LED光源，從而使膜蛋白招募的動(dòng)態(tài)特性完美符合人們的預(yù)期響應(yīng)昭目前已有越來(lái)越多的工作采用PI控制算法來(lái)控制細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)特性|\o"CurrentDocument"18-\o"CurrentDocument"21'\o"CurrentDocument"23'291、細(xì)胞生長(zhǎng)速度1\o"CurrentDocument"271等生命活動(dòng)指標(biāo).PID控制的計(jì)算簡(jiǎn)單，不依賴(lài)于模型，但在非線(xiàn)性長(zhǎng)時(shí)延系統(tǒng)中效果較差1\o"CurrentDocument"201.為了解決生物系統(tǒng)中的時(shí)延問(wèn)題，模型預(yù)測(cè)控制(Modelpredictivecontrol,MPC)是一種常用的、更精細(xì)化的反饋控制方法.模型預(yù)測(cè)控制利用控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)模型計(jì)算出未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)的輸出值，進(jìn)而根據(jù)預(yù)測(cè)的輸出施加相應(yīng)的控制輸入，補(bǔ)償了系統(tǒng)時(shí)延造成的影響.目前，模型預(yù)測(cè)控制也被廣泛地運(yùn)用在生物信號(hào)發(fā)生器|\o"CurrentDocument"16|＞基因表達(dá)調(diào)控\o"CurrentDocument"地301以及細(xì)胞狀態(tài)(如細(xì)胞生長(zhǎng)［\o"CurrentDocument"27］、細(xì)胞周期|\o"CurrentDocument"221)的控制等研究當(dāng)中.除此以外，起停式控制方法(Bang-bangcontrol)也可用于細(xì)胞控制.起停式控制是最簡(jiǎn)單的反饋控制算法之一，其控制量根據(jù)實(shí)際輸出與設(shè)定閾

值的大小關(guān)系分別取兩個(gè)不同的固定值，這種二值的控制輸入類(lèi)似于電路中的開(kāi)關(guān)，因此起停式控制也被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)控制.目前，研究者已成功利用起停式控制方法實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞內(nèi)蛋白濃度的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)網(wǎng)、將細(xì)胞狀態(tài)穩(wěn)定在雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)模型的非穩(wěn)態(tài)平衡點(diǎn)附近\o"CurrentDocument"況等功能.另外，來(lái)自意大利的Fiore等\o"CurrentDocument"如和Guarino等\o"CurrentDocument"即還將電力系統(tǒng)控制中的零平均動(dòng)態(tài)(Zeroaveragedynamics,ZAD)控制方法運(yùn)用到基因表達(dá)動(dòng)態(tài)特性的控制當(dāng)中.ZAD控制是一種數(shù)字控制方法,它利用脈寬調(diào)制技術(shù)(Pulsewidthmodulation,PWM)調(diào)節(jié)輸出值，通過(guò)尋找合適的脈沖寬度，ZAD使得每一個(gè)PWM周期內(nèi)輸出值與參考值的誤差均值為。四.\o"CurrentDocument"表1總結(jié)了上述各種控制算法的優(yōu)勢(shì)與不足.2.1.1胞機(jī)交互調(diào)控基因表達(dá)在細(xì)胞內(nèi)，基因表達(dá)過(guò)程具有高隨機(jī)性，受到多種環(huán)境因素如溫度、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、藥物誘導(dǎo)等的影響，在時(shí)間與空間上都存在較大的噪聲1\o"CurrentDocument"2-\o"CurrentDocument"31.噪聲的存在使得準(zhǔn)確預(yù)測(cè)基因表達(dá)量，探索基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部機(jī)制變得困難，而利用胞機(jī)交互的手段，研究者可以對(duì)所研究的基因加入實(shí)時(shí)可調(diào)的控制信號(hào)，對(duì)外界擾動(dòng)及基因表達(dá)的內(nèi)源噪聲進(jìn)行補(bǔ)償,控制基因表達(dá)量處于一個(gè)穩(wěn)定的水平.例如，加利福尼亞大學(xué)舊金山分校的Harrigan等分別突變了酵母增殖信息素通路中與負(fù)反饋相關(guān)的三個(gè)信息素基因，利用基于光遺傳學(xué)工具和模型預(yù)測(cè)控制的體外控制方法，使得三種缺少內(nèi)源反饋通路的突變型細(xì)胞均能夠表現(xiàn)出與野生型相同的表觀特性如.外部控制的引入補(bǔ)償了基因突變引起的擾動(dòng)，降低了基因表達(dá)的噪聲，增強(qiáng)了其可預(yù)測(cè)性與穩(wěn)定性.除了將基因表達(dá)量維持在期望的表達(dá)水平之外，胞機(jī)交互實(shí)時(shí)施加的控制信號(hào)還能夠使基因表達(dá)量按照預(yù)期產(chǎn)生\o"CurrentDocument"各種各樣隨時(shí)間變化的波形，構(gòu)成生物信號(hào)發(fā)生器1\o"CurrentDocument"161.在實(shí)現(xiàn)了對(duì)基因表達(dá)量進(jìn)行穩(wěn)態(tài)控制的基礎(chǔ)上，人們開(kāi)始嘗試將設(shè)定值設(shè)置為隨時(shí)間變化的波形，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用模型預(yù)測(cè)控制等適用于時(shí)變信號(hào)的控制方法時(shí)，熒光蛋白的表達(dá)量能很好地實(shí)時(shí)跟隨控制信號(hào)輸入，呈現(xiàn)出鋸齒狀、階梯狀或是正弦波的波形\o"CurrentDocument"如.生物信號(hào)發(fā)生器可以進(jìn)一步作為下游基因線(xiàn)路的輸入，通過(guò)胞機(jī)交互，細(xì)胞能夠產(chǎn)生比常用的階躍信號(hào)更為復(fù)雜的輸出信號(hào)，通過(guò)觀察基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)在各類(lèi)刺激下的響應(yīng),研究者們能獲得比傳統(tǒng)的基因敲除等靜態(tài)方法更加豐富有效的信息，建立起更準(zhǔn)確的基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而揭示基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)在機(jī)制1\o"CurrentDocument"161.胞機(jī)交互控制細(xì)胞狀態(tài)細(xì)胞狀態(tài)主要依賴(lài)于細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)的情況,因此，通過(guò)控制與各項(xiàng)生命活動(dòng)相關(guān)的基因或其他信號(hào)分子，胞機(jī)交互就能夠控制細(xì)胞的大小、周期、生長(zhǎng)速度等狀態(tài)參數(shù).2016年，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Milias-Argeitis等［\o"CurrentDocument"27］通過(guò)將細(xì)胞內(nèi)控制甲硫氨酸生物化學(xué)合成的metE基因改造成光控基因，以紅色和綠色的LED光照作為控制信號(hào)，采用PI控制算法得到了在不同光照下具有不同生長(zhǎng)速度的突變型大腸桿菌.此外,胞機(jī)交互還能夠在一定程度上影響細(xì)胞決策.細(xì)胞的生命過(guò)程包含了大量的決策，例如哪些基因表達(dá)、基因何時(shí)表達(dá)、表達(dá)出多少蛋白質(zhì)等,不同的決策會(huì)引導(dǎo)細(xì)胞走向完全不同的狀態(tài)1791.細(xì)胞決策的不同實(shí)際上反映了細(xì)胞所處穩(wěn)態(tài)平衡點(diǎn)的不同，因此，如果能控制多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)定的穩(wěn)態(tài),就相當(dāng)于控制了細(xì)胞決策.雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)模型是一個(gè)典型的雙穩(wěn)態(tài)\o"CurrentDocument"系統(tǒng)，它包含兩個(gè)穩(wěn)定平衡點(diǎn)和一個(gè)不穩(wěn)定平衡點(diǎn)\o"CurrentDocument"％利用PI和起停式控制方法控制雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)模型中誘導(dǎo)劑無(wú)水四環(huán)素(Anhydrotetracycline,aTc)和異丙基-月-D-硫代半乳糖苷(Isopropyl月-D-1-thiogalactopyranoside,IPTG)的輸入量,細(xì)胞狀態(tài)\o"CurrentDocument"可以被穩(wěn)定在雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)模型的非穩(wěn)定平衡點(diǎn)附近|\o"CurrentDocument"191,通過(guò)周期性地施加合適的aTc和IPTG信號(hào)，細(xì)胞會(huì)分別落入不同的穩(wěn)態(tài)平衡點(diǎn),實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞狀態(tài)決策的控制.控制算法在細(xì)胞控制中應(yīng)用的特殊性與難點(diǎn)控制算法是否需要精確建模優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)PID控制否穩(wěn)定性好，計(jì)算簡(jiǎn)便，不依賴(lài)模型在快速變化的、長(zhǎng)時(shí)延的系統(tǒng)上效果較差模型預(yù)測(cè)控制是適用于時(shí)變的、有時(shí)延的系統(tǒng)，能夠預(yù)測(cè)未來(lái)狀態(tài)計(jì)算復(fù)雜度高，易受噪聲影響，建模過(guò)程繁瑣起停式控制否結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單方便控制動(dòng)作不連續(xù)，容易造成系統(tǒng)振蕩ZAD控制是適用于時(shí)變的、有時(shí)延的系統(tǒng)，減少了輸入開(kāi)關(guān)數(shù)量在快速變化系統(tǒng)中的表現(xiàn)略遜于模型預(yù)測(cè)控制\o"CurrentDocument"控制算法是否需要精確建模優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)PID控制否穩(wěn)定性好，計(jì)算簡(jiǎn)便，不依賴(lài)模型在快速變化的、長(zhǎng)時(shí)延的系統(tǒng)上效果較差模型預(yù)測(cè)控制是適用于時(shí)變的、有時(shí)延的系統(tǒng)，能夠預(yù)測(cè)未來(lái)狀態(tài)計(jì)算復(fù)雜度高，易受噪聲影響，建模過(guò)程繁瑣起停式控制否結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單方便控制動(dòng)作不連續(xù)，容易造成系統(tǒng)振蕩ZAD控制是適用于時(shí)變的、有時(shí)延的系統(tǒng)，減少了輸入開(kāi)關(guān)數(shù)量在快速變化系統(tǒng)中的表現(xiàn)略遜于模型預(yù)測(cè)控制\o"CurrentDocument"㈣表1細(xì)胞控制常用控制算法優(yōu)缺點(diǎn)比較Table1Prosandconsofseveralcontrolalgorithmsincellcontrol控制信號(hào)的限制PID等經(jīng)典控制算法在計(jì)算控制信號(hào)輸入時(shí)一般是沒(méi)有條件限制的，其結(jié)果取值范圍往往是整個(gè)實(shí)數(shù)域，但是在實(shí)際操作中，由于受到閥門(mén)、光源等執(zhí)行器的固有屬性限制，當(dāng)控制算法計(jì)算得到的控制量超過(guò)執(zhí)行器的調(diào)節(jié)范圍(閥門(mén)的最大開(kāi)度,光源的最大亮度)時(shí)，執(zhí)行器不會(huì)對(duì)該控制量做出應(yīng)有的響應(yīng)，此時(shí)的控制系統(tǒng)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，實(shí)際輸出與預(yù)期輸出的誤差隨時(shí)間積累會(huì)越來(lái)越大,最終造成系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或時(shí)延，這種現(xiàn)象稱(chēng)為積分飽和，在機(jī)器控制領(lǐng)域普遍存在，而在細(xì)胞控制中尤為顯著.在進(jìn)行雙穩(wěn)態(tài)開(kāi)關(guān)模型的穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)時(shí),研究者便有意忽略了前兩個(gè)小時(shí)的積分來(lái)避免這一現(xiàn)象|\o"CurrentDocument"191.除此之外，還可以在反饋閉環(huán)中加入antiwindup模塊\o"CurrentDocument"皿801,當(dāng)控制器正常工作時(shí)，anti-windup模塊不發(fā)揮作用；一旦執(zhí)行器的輸入與輸出信號(hào)不相同，anti-windup模塊便會(huì)計(jì)算輸入輸出的誤差,并據(jù)此調(diào)節(jié)PID控制器中積分項(xiàng)的大小，避免飽和帶來(lái)的超調(diào)和時(shí)延|80'.控制信號(hào)可能受到的另一種限制是執(zhí)行器不能按照控制算法得到的結(jié)果向被控對(duì)象傳輸精確而連續(xù)的控制信號(hào)，例如閥門(mén)只能打開(kāi)一個(gè)大致的開(kāi)度、執(zhí)行器只能進(jìn)行離散的檔位調(diào)節(jié)等.在細(xì)胞控制領(lǐng)域，控制信號(hào)的細(xì)微差異，可能會(huì)對(duì)細(xì)胞的整個(gè)狀態(tài)帶來(lái)巨大的變化，甚至?xí)?dǎo)致細(xì)胞死亡.為解決此問(wèn)題，研究者們想到利用電力電子技術(shù)中的脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM),在控制器后加入PWM調(diào)制模塊，將數(shù)字信號(hào)等效轉(zhuǎn)化為所需的模擬信號(hào)[\o"CurrentDocument"18],使執(zhí)行器的離散信號(hào)表現(xiàn)出等價(jià)于連續(xù)信號(hào)的控制效果對(duì)于能夠連續(xù)取值的控制工具例如LED、激光等光源，則可以有效避免此問(wèn)題.細(xì)胞固有屬性的限制細(xì)胞與機(jī)器最明顯的區(qū)別在于細(xì)胞是一個(gè)生命體，會(huì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)、生長(zhǎng)、增殖等生命活動(dòng)，且自身體積微小，需在顯微鏡下方可觀察，而控制工具的分辨率很難達(dá)到單細(xì)胞水平，因此實(shí)驗(yàn)中往往只能控制細(xì)胞的群體特性，難以捕獲單細(xì)胞的動(dòng)態(tài).即使利用某種精密的控制手段實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞的控制，由于細(xì)胞間的基因表達(dá)差異，每個(gè)細(xì)胞所需的控制信號(hào)輸入也是不同的，加上細(xì)胞會(huì)不斷運(yùn)動(dòng)和增殖,如何完成控制信號(hào)和被控細(xì)胞間的校準(zhǔn)、如何處理分裂后的細(xì)胞、如何對(duì)細(xì)胞信號(hào)進(jìn)行測(cè)量都是需要解決的問(wèn)題.這就要求有專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)精確地控制每一個(gè)細(xì)胞與讀取細(xì)胞狀態(tài).早期的胞機(jī)交互控制多是針對(duì)細(xì)胞群體水平上基因表達(dá)量的控制，但近年來(lái)，越來(lái)越多的科學(xué)家開(kāi)始嘗試?yán)梦⒘骺叵到y(tǒng)和高分辨率的投影儀進(jìn)行單細(xì)胞水平的反饋控制.第1節(jié)中提到，微流控系統(tǒng)能夠最大程度地限制細(xì)胞的活動(dòng)范圍，解決了細(xì)胞運(yùn)動(dòng)與分裂的問(wèn)題，使細(xì)胞易于追蹤.而在單細(xì)胞水平上對(duì)細(xì)胞施加控制信號(hào)則可以由數(shù)字微鏡(Digitalmicromirrordevice,DMD)投影儀實(shí)現(xiàn).DMD投影儀的核心由微型反射鏡陣列構(gòu)成，通過(guò)獨(dú)立開(kāi)閉每個(gè)反射鏡，DMD投影儀能夠改變單像素的光信號(hào)強(qiáng)度,實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞水平上的高通量控制|81].例如，2018年，來(lái)自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Rullan等網(wǎng)利用胞機(jī)交互的控制方式，以DMD投影儀為控制信號(hào)源，微流控系統(tǒng)為培養(yǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)釀酒酵母mRNA水平上的單細(xì)胞基因表達(dá)控制.2.2.3基因表達(dá)特性的限制在細(xì)胞內(nèi)，基因表達(dá)包括轉(zhuǎn)錄、翻譯等多步過(guò)程，細(xì)胞對(duì)信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng)需要一定的時(shí)間，所以控制信號(hào)寫(xiě)入到系統(tǒng)響應(yīng)和觀測(cè)之間存在較大的時(shí)滯.其次，細(xì)胞基因表達(dá)調(diào)控的傳遞函數(shù)近似滿(mǎn)足希爾方程的形式，是高度非線(xiàn)性的.因此，基因表達(dá)過(guò)程是一個(gè)典型的非線(xiàn)性時(shí)延系統(tǒng)1821.前文提到PID控制更適用于無(wú)時(shí)延和無(wú)劇烈波動(dòng)的系統(tǒng)，因此在進(jìn)行跟蹤控制時(shí)，PID控制方法往往難以取得理想的效果，而MPC等依賴(lài)模型的算法則能夠根據(jù)模型預(yù)測(cè)補(bǔ)償基因表達(dá)的時(shí)滯，有效避免這一問(wèn)題.另一方面，生物系統(tǒng)具有較強(qiáng)的隨機(jī)性.生物系統(tǒng)中，參與反應(yīng)的分子數(shù)量很少，大約只有幾十個(gè)，根據(jù)薛定諤在《生命是什么》一書(shū)中提出的如律：一個(gè)具有n個(gè)分子的反應(yīng)系統(tǒng)的變異系數(shù)約為i/pn|83],基因表達(dá)反應(yīng)過(guò)程中隨機(jī)漲落引起的內(nèi)蘊(yùn)隨機(jī)性是很明顯的.此外，上游調(diào)控蛋白的隨機(jī)性與環(huán)境因素的波動(dòng)也會(huì)引入外部噪聲1841,使生物系統(tǒng)模型復(fù)雜化.雖然微分方程與隨機(jī)模型能夠定量、隨機(jī)地描述生物系統(tǒng)，但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大以及對(duì)含噪系統(tǒng)刻畫(huà)的深入，計(jì)算復(fù)雜性會(huì)大幅增加,識(shí)別未知參數(shù)的難度也會(huì)大幅提高1821.另外，基因網(wǎng)絡(luò)中普遍存在著分子多靶點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，調(diào)控模塊之間高度耦合，造成了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)復(fù)雜的隱藏調(diào)控機(jī)制186-861.這些因素使得建立精確的數(shù)學(xué)模型十分困難,以致依賴(lài)于模型的MPC、ZAD等控制算法在模型精確度不高的情況下也難以發(fā)揮優(yōu)勢(shì).總而言之，在基因表達(dá)特性的限制下，PID控制不依賴(lài)于精確的數(shù)學(xué)模型，相比依賴(lài)于模型的控制方法具有更好的可遷移性，但無(wú)法處理基因表達(dá)過(guò)程中的時(shí)延和噪聲；MPC、ZAD等控制方法雖然能夠解決時(shí)延問(wèn)題，但數(shù)學(xué)模型的建立需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，且數(shù)學(xué)模型不可通用，在不同的控制問(wèn)題下需要建立不同的模型.在實(shí)際研究中，研究者需要根據(jù)基因的表達(dá)特性選擇合適的控制算法.總結(jié)與展望生物控制與機(jī)器控制是控制領(lǐng)域的兩個(gè)重要分支，雖然在控制對(duì)象上，生物與機(jī)器存在著很大差異，但是在控制規(guī)律上，兩者構(gòu)成了統(tǒng)一的整體.近年來(lái)，隨著控制遺傳學(xué)(Cybergenetics)概念的提出以及相關(guān)工具和平臺(tái)的完善，胞機(jī)交互引起了生物學(xué)家與控制學(xué)家們的廣泛關(guān)注，這種新興的控制手段根據(jù)細(xì)胞狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整控制信號(hào)，在線(xiàn)優(yōu)化細(xì)胞的動(dòng)態(tài)特性，相比利用合成基因線(xiàn)路的胞內(nèi)控制更加便捷有效.在細(xì)胞狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與控制方面，相關(guān)生物學(xué)工具與平臺(tái)的發(fā)展為細(xì)胞控制提供了精準(zhǔn)的控制手段.圖像處理算法與深度學(xué)習(xí)的發(fā)展使得計(jì)算機(jī)能夠準(zhǔn)確追蹤每一個(gè)細(xì)胞，從細(xì)胞影像中提取所需的細(xì)胞信號(hào)；而光遺傳技術(shù)的發(fā)展則使得研究者可以通過(guò)光照對(duì)細(xì)胞施加控制信號(hào)，相較化學(xué)藥物誘導(dǎo)等控制手段，光照具有低傷害、高度可控、迅速可逆等優(yōu)勢(shì).高分辨率投影儀如DMD則可以通過(guò)控制每個(gè)像素點(diǎn)的光信號(hào)強(qiáng)度，配合微流控系統(tǒng)，將光控制信