人体确保血液中的钙浓度保持恒定。以同样的方式，飞机的自动驾驶仪使飞机保持恒定的高度。他们的共同点是车身和自动驾驶仪都采用复杂的整体反馈控制机制(见专栏)。巴塞尔苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系的研究人员现在首次成功地在活细胞内完全从头开始构建这样一个完整的控制器，正如他们在最新一期的“ 自然 ”杂志上报道的那样。除其他外，他们的合成生物学方法可以在未来优化生物技术生产过程并通过细胞疗法调节激素活性。
尽管环境干扰仍然不变
海洋工程师是第一个建造这种集成反馈控制系统的工程师，在一百多年前使用它来自动化船舶转向。从那以后，它被应用于任何需要保持方向，温度，速度或高度恒定且在外部影响面前稳定的地方。积分的作用是它允许控制系统根据偏离所需常数值的量和持续时间进行校正。
在生物学中，机制也已经发展到维持血液中物质的恒定浓度。几年前，由生物系统科学与工程系教授Mustafa Khammash领导的研究人员表明，这些生物机制也是整体反馈控制的例子。“这些积分控制器极易抵抗意外的环境干扰，”Khammash说，“这可能解释了为什么这个原理在进化中占了上风，这就是它在技术中无处不在的原因。”
两个分子的相互作用
Khammash和他的跨学科控制理论家，数学家和实验生物学家团队现在首次成功地以细菌内部的合成遗传调控网络的形式设计了这样一个完整的反馈控制器。他们的反馈机制依赖于两个分子--A和B - 彼此结合而变得不活跃。这两种分子一起能够维持第三分子C的恒定浓度。系统的设计使得分子B促进C的产生，而A的产生速率取决于C的浓度。反馈回路这一事实在于，当C丰富时，将产生更多的A，这将使更多的B失活，这反过来将导致C的产生下降。
作为概念证明，ETH科学家利用这一原理来控制大肠杆菌中绿色荧光蛋白的产生。由于反馈控制器，细菌产生了恒定量的荧光蛋白 - 即使想要测试系统的科学家试图使用强抑制剂抑制其产生。在第二个实验中，尽管科学家试图破坏生长，研究人员设法产生了一种以恒定速率生长的细菌群，再次试图测试反馈机制。
改善生物技术和疗法
生物技术现在可以将这种新的控制机制用于细菌生产维生素，药物，化学品或生物燃料，其机制可确保细菌内的生产率保持在最佳水平。
在随后的研究工作中，ETH科学家正在为哺乳动物细胞开发类似的控制机制，这将为进一步的应用铺平道路，包括具有基因调控网络的设计师细胞在患者体内产生激素。那些愿意从这种方法中受益的人中有糖尿病或甲状腺缺乏症。合成反馈控制器也可用于改善癌症免疫疗法。“在这种形式的治疗中，免疫细胞需要足够活跃以对抗肿瘤，但不能过度活跃，因为它们会攻击健康组织，”Khammash说。“像我们这样的机制能够微调他们的活动。”
整体控制器
根据ETH教授Mustafa Khammash的说法，血液中钙浓度的调节是一个很好的例子，用来说明生物学中积分控制器的原理。无论一个人摄取多少钙摄入食物，这种浓度都严格控制在每升血液约95毫克的值。在哺乳期间，当从血液中抽取大量钙以产生乳汁时，该速率甚至保持恒定。“恒定水平的钙对许多生理过程的正常运作至关重要，包括肌肉和神经功能或血液凝固，”Khammash说。
在这种情况下，激素PTH作为体内两种反馈剂之一起作用：PTH促进钙从骨组织向血流的动员。血液中钙浓度越低，甲状旁腺产生的PTH越多。“当钙的含量过低时，这是身体反应的一部分，”Khammash说。
但是，他补充说，为了在突然出现尖峰或跌落后使钙浓度完全恢复正常，需要第二种机制。这种作用属于生物活性形式的维生素D3，它促进小肠中部分消化食物对钙的吸收。然而，这种活性形式的维生素D3在肾脏中的产生取决于PTH的浓度。
这两种激素一起负责确保血液中的钙浓度随着时间的推移尽可能少地离开并且从正常水平尽可能短的时间 - 或者换句话说，“与...的积分”尊重时间，“正如数学家所说，它接近一个常数。因此，这种控制机制称为积分。