该研究首次提出了利用“三态门”电路/逻辑来设计基因线路的策略（TriLoS），为人体细胞编写“代码”，使其能够开展智能生物计算和细胞疗法。研究提出的TriLoS设计理念，以“三态门”为基本逻辑单元，成功升级了生物计算的“编辑语言”，使设计哺乳动物细胞计算的 “基因软件”能够真正意义上在单细胞水平实现模块化、逻辑最简化和工程化编写细胞复杂逻辑计算电路；此外将“生物计算机”的概念应用于复杂代谢性疾病的治疗，使细胞可以根据疾病不同状态及时启动不同的定制化治疗程序。这项工作对现代智能生物计算的发展及其在精准医疗领域的应用具有重要意义。

　　将电路“三态门”搬进人体细胞，组装人工逻辑计算基因网络，突破细胞计算极限

　　细胞犹如微型计算机，每时每秒都在接收、转导和处理人体内的不同信息，并通过细胞内高效并行的信号转导途径来做出极快的响应，生成指令信号，指导自身或周围细胞开始新一轮的计算。如何让功能强大的细胞听懂人类的指令，开展复杂的信息处理和计算功能？如何定制出不同的“应用程序（APP）”，像编辑计算机一样调控细胞的功能？

　　从本世纪初，合成生物学家大胆尝试利用人工基因线”布尔计算逻辑。计算机主要是通过控制高、低电平，即代表逻辑上的“真”与“假”或二进制当中的“1”和“0”来实现各种计算逻辑。而细胞本身的基因表达系统同样存在活跃（表达）或非活跃（不表达）两种状态，这使得我们可以从中抽象出“开/关”或者“0/1”的概念，通过人工设计基因线路的接入，以“生物逻辑门”为计算单元使细胞能够处理不同的生物信号，最终如同计算机一样能够开展“0/1”输出的布尔逻辑运算（例如赋予细胞可进行多输入/多输出的复杂数字加法器、减法器电路）。然而由于哺乳动物细胞基因调控本身的复杂性、现有可用人工基因线路的不足以及缺乏理论体系指导，导致现有复杂基因网络的构建只能依赖于设计者的经验、繁琐的设计和盲目的试错，最终严重制约着哺乳动物细胞生物计算的发展。单细胞多层次复杂逻辑基因线的半加器和半减器。

　　为了突破上述的技术瓶颈并为复杂基因线路的设计和生物计算推出一套完整的理论体系，该研究首次提出了TriLoS设计原则，设计和利用“三态门电路”来取代传统的“逻辑门”来作为多层次基因调控网络的基本计算单元，创造出完全适用于细胞的“晶体管”，终于系统性实现了多种复杂的计算指令，并成功突破单细胞的计算极限。同时，进一步强化了一种以生物计算视角出发的疾病治疗思维，可以将不同代谢疾病的治疗程序简化成一种数学公式，然后通过TriLoS理论体系匹配出对应的细胞指令，开发治疗程序（APP），从而为多种代谢性疾病定制出智能化的细胞治疗方案（图1）。

　　在数字电路里，相比于正常逻辑电路具有高（1）、低电平（0）两种状态，三态门多了第三种高电阻（Z）状态，该状态由电路的上游输入信号（B）控制。当B输入连接畅通时，电路由原有输入信号A控制，输出0或1，否则输出为高阻抗状态“Z”（图2）。利用多重三态门构建复杂电路时，可以保证多模块的灵活连接，同时确保信号传递的速度和效率。研究发现，细胞基因表达调控可抽象为三态门模式。例如从DNA经转录、翻译到最终生成蛋白的过程，转录调控（B）可以作为翻译调控（A）的上游控制通路，通过转录调控的开或关，影响翻译调控系统最终的三种状态 0、1 或者Z（不转录）。而复杂的基因调控网路可以由多个三态门层加组合而成。

　　为了在哺乳动物细胞中实现“三态门”基因电路，需要响应同一输入信号的一对拮抗基因开关（即NOT和BUF两种表达状态）。由于这种表达逻辑需要具备一种“上下游”调控关系，多层次的“基因转录（上游）/ 蛋白翻译（下游）”基因网络能够最有效满足“三态门”的构建条件。

　　值得一提的是，与电子工程不同，从基因表达结果的角度而言，无需严格区分“三态门”中的低电平（0）和高电阻（Z）两种状态。所以，可以将四种三态门单元BUFIF1、NOTIF1、BUFIF0和NOTIF0简化成以输入信号A或B为代表的数学公式（

　　指令相结合，可以从中演变出所有16种布尔计算逻辑，可有效取代传统 “逻辑门” 来作为基本计算单元（图4）。

　　与传统以“逻辑门”作为基本逻辑单元的基因线路设计相比，“三态门”电路终于能够实现真正意义上模块化、最简化和系统性的“编程”。例如或门（OR），布尔计算公式为， 通过组装BUF（A; 模块 6) 和NOTIF1 (

　　; 模块 2)，便可成功实现。类似的，对于一直困扰合成生物学家的异或门（XOR，

　　，模块3） 便可高效实现。而在传统的生物计算研究中，异或门转换为布尔公式语言为

　　。