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生物反馈控制：微流控技术的应用
发布时间：2021-12-28
复杂生物系统内部各类动态行为 (稳态、振荡、同步等) 的产生及其背后的潜在机制一直以来是科学家关注的重要问题。无论是实验生物学家通过观察发现新机制，还是计算生物学家通过模型推导出理论解释，在这一方向上都有了大量的工作。随着时代的发展和技术的进步，人们已经对各类生物现象背后的机制有了一定的了解，让我们越来越接近复杂生物系统的真相。而这也为我们提出了更大的挑战：我们能否对生物系统的动态行为如同对机器一样做出精准的控制，使其按照我们所期望的那样稳定运行？尽管早在上世纪四十年代现代控制论之父诺伯特.维纳 (Norbert Wiener) 就已经在其著作 《控制论》[1] 中提出了对于生物系统控制的可能性并将其与工程控制做了比较与讨论，但由于认识和技术的限制，前者并没有像后者一样在此后的数十年中蓬勃发展。
相较于生物控制问题，应用于工程问题的控制理论是一门相对成熟的学科，它结合了数学、物理、系统科学等学科建立了一系列完善的理论体系并被广泛应用于各类真实场景中， 近到每家每户都有的全自动洗衣机，远到执行太空任务的火星探测器。在各类控制策略中，闭环反馈控制是最常用的调控策略之一。一般来说，它包含了四个模块：动态系统、传感器、控制器以及执行器 (图 1)。第一个是需要被控制的系统，而后三者则分别对应了三个重要的步骤：测量、计算和实施。通过不断测量需要被调控的物理量，再以此为依据计算新的控制策略并施加回系统本身便是反馈控制的基本思想。
图 1 反馈控制的基本组成部分。
反馈控制在生物系统内也是最为常见的，并且它是保证生命健康延续的重要组成部分。人体内体温和血压的稳定都涉及到了生物反馈控制。而如何人为地利用反馈控制对生物系统的动态行为进行精准的调控一直以来是一个具有挑战性的问题 [2]。其中一个主要难点便是缺少合适、精细的执行器来完成设计好的控制策略。因此，即使是在体外对于一些简单的生物系统动态行为都无法做到期望的控制效果。而随着近十年来微流控技术和设备 (microfluidic technology and device) 的发展，科学家们已经可以对液体的混合、过滤、流动做到精准的控制 [3]。因此，也能进一步做到对生物、化学反应的精确调节。不同于以往普通的实验设备，微流控技术的发展考虑了流体的粘度、表面张力、扩散等关键因素。随着技术水平爆发式的提升，目前已经可以由一个芯片来控制复杂的液体流动。微流控平台的技术优越性和操作便捷性使生物反馈控制成为可能。
近年来，两篇发表在Nature Communications上的研究论文便利用这一技术实现了一些生物系统中的动态调控 [4,5]。提供了一种研究细胞周期、稳态控制和生物技术的全新视角，同时证明了复杂的生物过程可以通过基于计算机的反馈控制进行调节。
在第一篇文章中，作者们通过实时反馈控制在一个大肠杆菌的双稳态基因调控网络中人为制造了蛋白浓度的节律振荡 [4]。他们考虑的是生物学上用于解释细胞决策和细胞命运分化的一个经典的基因钮子开关 (genetic toggle switch) 模型。该系统由两个基因 lacI 和 tetR 组成，它们各自的产物会互相抑制基因表达（图 2）。这样一个系统具有双稳态的特性，即，系统的“命运”总是会收敛至两个稳态之一 (图2)。而究竟最终会落入哪一个则取决于初始的状态。
图 2 大肠杆菌中的基因钮子开关模型（左）。该模型的动力学行为会呈现出双稳态特征（右）。（图片来源: Lugagne JB et al. Nat Commun 2017 [4]）
系统中两个抑制作用的强度又可以通过两个额外的分子：IPTG 和 aTc 进行调控。利用这一特性，通过实时调节 IPTG 和 aTc 的浓度可以使系统在两个稳态之间来回切换。作者们对此进行了实验尝试。他们利用荧光标记和显微镜对蛋白水平进行实时测量，这与反馈控制系统中的传感器模块相对应。之后，再使用计算机设计出所需要的控制策略 (调控IPTG 和 aTc 的浓度)，这一步对应于控制器模块。最后，通过微流控设备 (执行器) 精准地控制含有 IPTG 和 aTc 的液体的流动便可以调节大肠杆菌所处的培养环境。最终，研究者们成功地在双稳态系统中呈现出蛋白节律振荡（图 3）。尽管由于系统和设备噪声的原因，这样一种自适应闭环反馈控制的效果有时会不尽如人意，但它确实为未来更复杂的生物动态行为控制问题提供了一定的启发。此外，作者们在这一工作中也使用微流控平台尝试了人工设定的间歇性控制策略，并取得了更为理想的控制效果（图 3）。这也从一定程度说明人为精确控制生物系统动态行为的可能性。
图 3 计算机控制的微流控闭环反馈控制使双稳态系统产生蛋白节律振荡（上）。间歇性控制策略呈现出更理想的控制效果（下）。（图片来源: Lugagne JB et al. Nat Commun 2017 [4]）
在另一篇文章中，作者们也通过微流控平台实现了基于计算机设计的闭环反馈控制策略 [5]。利用所设计的自适应控制系统使出芽酵母细胞种群中的细胞周期自动同步。作者们研究了一种特定的酵母菌株，并将其培养基与计算机控制的微流控平台相连。利用显微镜和荧光标记读取并估计细胞所处的周期阶段，再用控制算法设计出所需的调控策略并通过微流控设备执行。最终使同一个培养基中的细胞种群实现同步（图 4）。该方法集成了微流控技术、显微镜和图像分析以及控制策略计算。
图 4 利用计算机控制的微流控平台调控细胞种群周期（上）。控制后的细胞种群周期达到同步状态（下）。（图片来源: Perrino G et al. Nat Commun 2021 [5]）
可以看到，微流控技术的发展使得体外生物行为的精准调控成为了可能。而这也是未来实现体内控制甚至精准医疗不可或缺的重要一步。除了上述提到的稳态和同步控制，生物系统中还存在着其他更为复杂的动态行为。而要做到对复杂行为的精确控制，除了微流控平台的合理应用之外，用于设计和计算控制器的理论基础也必不可少，例如，在近期发表于 Nature Communications 的文章中 [6], 作者们提出了复杂生物系统中节律调控的可能性并给出了相应的理论计算框架。完善的控制理论与成熟的平台技术的有机融合一定能为生物控制的未来带来更多可能。
作者：秦伯韡、仲昭月
（封面图片来源: Lugagne JB et al. Nat Commun 2017 [4]）
参考文献
[1] Wiener, N. Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine. (The MIT Press, 2019).
[2]El-Samad, H. Biological feedback control - respect the loops. Cell Systems 12, 477-487 (2021).
[3]Maghsoudi, S., et al. Chapter 1 - An overview of microfluidic devices, Editor(s): Hamblin, M. R., Karimi, M. Biomedical Applications of Microfluidic Devices. (Academic Press, 2020).
[4]Lugagne, J. B., Sosa Carrillo, S., Kirch, M. et al. Balancing a genetic toggle switch by real-time feedback control and periodic forcing. Nature Communications 8, 1671 (2017).
[5]Perrino, G., Napolitano, S., Galdi, F. et al. Automatic synchronisation of the cell cycle in budding yeast through closed-loop feedback control. Nature Communications 12, 2452 (2021).
[6]Qin, B. W., Zhao, L. & Lin, W. A frequency-amplitude coordinator and its optimal energy consumption for biological oscillators. Nature Communications 12, 5894 (2021).
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