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2024年7月31日，西湖大学解明岐团队在顶级学术期刊Cell杂志上发表了一篇题为《Multi-layered computational gene networks by engineered tristate logics》的研究论文。这项研究首次提出了利用“三态门”（TriLoS）电路和逻辑来设计基因线路的全新策略，为人体细胞编写“代码”，从而实现智能生物计算和细胞疗法。
TriLoS设计理念以“三态门”作为基本逻辑单元，成功地升级了生物计算的“编辑语言”，使得哺乳动物细胞计算的“基因软件”能够变得模块化、逻辑最简化和工程化，由此实现了单细胞的复杂逻辑计算网络和细胞逻辑电路。这种新型设计理念不仅使“生物计算机”概念在复杂代谢性疾病治疗中的应用成为可能，还能根据需要启动不同的定制化治疗程序。此研究对于现代智能生物计算的发展及精准医疗领域的应用具有重要意义。
具体来说，将电路中的“三态门”搬入人体细胞内，通过组装人工逻辑计算基因网络，能够突破现有细胞计算的极限。细胞像微型计算机一样，每时每刻都在接受、转导和处理不同的信息，并通过高效的信号转导途径迅速作出反应，生成指令信号，指导自身或周围细胞的活动。
至今，合成生物学专家一直在尝试通过人工基因线路来模仿电子工程中的“0/1”布尔计算逻辑。然而，由于哺乳动物细胞基因调控的复杂性以及缺乏理论指导，目前复杂基因网络的构建一直依赖经验和繁琐的试错过程，严重制约了哺乳动物细胞生物计算的发展。
为了突破这一技术瓶颈并构建完整的理论体系，该研究首次提出了三态门电路设计原则（TriLoS），通过设计和利用“三态门电路”来取代传统的“逻辑门”，并以此作为多层次基因调控网络的基本计算单元，实现了多种复杂计算指令，突破了单细胞计算的极限。
通过实验验证，研究人员发现，细胞基因表达调控可以抽象为三态门模式。对于复杂代谢性疾病的治疗，研究人员进一步将疾病的治疗程序简化成数学公式，然后利用TriLoS理论体系匹配出相应的细胞指令，开发出定制化的治疗程序，从而实现智能化的细胞治疗方案。
为了在哺乳动物细胞中实现三态门基因电路，研究团队巧妙地结合了他们之前开发的人工翻译开关和基因转录调控系统，构建了由Grazoprevir（Gra，输入A）和Vanillic acid（VA，输入B）控制的基因电路系统。通过这种灵活的组合，成功实现了多种三态门逻辑单元。
不同于传统逻辑门，三态门电路增加了第三种高阻抗（Z）状态，不仅提高了基因线路设计的灵活性，还确保了信号传递的速度和效率。通过进一步的实验，研究人员证明了三态门作为基本计算单元，可以显著提高哺乳动物细胞的“可编辑空间”，成功突破了细胞计算的极限。
该研究的成果不仅限于细胞计算领域，还为复杂逻辑计算的智能细胞精准治疗应用提供了新的思路。研究人员通过复杂计算来映射疾病的不同状态，赋予细胞自主判断疾病类型的能力，并据此产生适当的治疗蛋白，实现精准的疾病分阶段、分层次、定制化治疗。
该研究由西湖大学、浙江大学、之江实验室和国防科技大学合作完成，解明岐研究员为主要通讯作者。研究团队还感谢科技部、国家自然科学基金、西湖实验室等机构的资助和支持。这一突破性研究成果预示着智能细胞计算和精准治疗的重要前景。
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