汽车有巡航控制。喷气式飞机有自动驾驶仪。工厂拥有工业过程控制。现在，由于合成生物学，细胞具有人工设计的积分反馈控制。在概念验证研究中，大肠杆菌细菌已经配备了控制器，其形式为网络发育调节网络，即一组相互作用的生物电路元件。

这些元素实现了细菌细胞在工业植物中长期完成的整合反馈环 - 这是合适的，因为细菌细胞和其他类型的细胞在生物技术应用中被用作微小的化学工厂。

正如整体反馈回路在工厂车间保持最佳生产率一样，这种反馈回路可确保生产者细胞以高而稳定的速率释放所需产品 - 维生素，药物，化学品和生物燃料。整体反馈回路还可以使设计师细胞能够在患者体内保持最佳化学物质水平，帮助解决糖尿病或甲状腺缺乏等疾病。最后，他们可以改善癌症免疫疗法，确保免疫细胞足够活跃以对抗肿瘤，但足够克制以避免攻击健康组织。

基本思想是引入一种机制，可以微调细胞活动，从而实现有用的目的 - 就生物工程师和转化科学家而言是有用的。自然进化的整体反馈回路已经硬连线到细胞中。例如，积分反馈回路保持血液中物质的恒定浓度。

几年前，苏黎世联邦理工学院的科学家们建立了自然积分反馈回路的存在。“这些整体控制器极其能抵抗意外的环境干扰，”苏黎世联邦理工学院生物系统科学与工程系教授Mustafa Khammash说。他接着说，这可能解释了为什么在技术中无处不在的积分反馈原理在进化中占了上风。

Khammash及其同事将他们从大自然中学到的知识用于基因工程合成控制器。科学家们在6月19日出版的“自然”杂志上发表了一篇文章(“通用生物分子积分反馈控制器，用于强大的完美适应”)，他们将控制器安装在活细胞中。他们强调，控制器是可调和自适应的。

“[我们]合理设计的积分控制器......代表了一种概念验证设计，它确立了在合成生物学中建立稳健稳态的可行性，”该文章的作者写道。“具有扩展动态范围的该控制器的适当优化版本应该在所有情况下都能找到广泛的应用，其中蛋白质表达必须保持在所需水平的严格调节，而与其他干预过程无关。”

作者指出，由于所需生物计算的复杂性，在活细胞中合成实现积分反馈仍然难以捉摸。尽管如此，作者还是开发了一个数学证据，证明存在“单一基本生物分子控制器拓扑结构，可实现积分反馈，并在具有噪声动态的任意细胞内网络中实现稳健的完美适应。”

Khammash和他的跨学科控制理论家，数学家和实验生物学家团队解释说，他们的反馈机制依赖于两个分子 - 称为A和B - 它们相互结合而变得不活跃。这两种分子一起可以保持第三分子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。反馈回路在于事实上，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。

ETH科学家利用它们的机制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 - 即使当想要测试该系统的科学家试图使用强抑制剂抑制其产生时也是如此。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。

科学家们指出，“这种适应特性可以保证人口平均值和单个细胞的时间平均值”。“我们的研究结果为控制生命系统动力学的工程合成控制器的网络遗传学领域提供了概念和实用工具。”

Khammash及其同事成功地从头开始构建了一个完整的控制器，并在活细胞内进行了测试，部分原因是他们早期的钙稳态研究。根据Khammash的研究，研究血液中钙浓度是如何被调节的，这是了解积分控制器如何在生物学中起作用的好方法。

无论一个人在食物中摄入多少钙，钙的浓度都被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。“当钙水平过低时，这是身体反应的一部分，”Khammash指出。

但他补充说，为了在突然飙升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尽可能短的时间从其正常水平 - 或换句话说，“相互偏离的积分”时间，“正如一位数学家所说，它接近一个常数。因此，这种控制机制称为积分。