通过含有特殊程序的细胞在人的血管中监测血糖浓度、关注胆固醇的积累等，这些设想虽还处于科幻阶段，但将计算机程序移植入生物体内的日子或许并不会太遥远——
在过去数年里，科学家在创造细胞机器人的征程上迈出了第一步：随着电子工程中的数字逻辑、存储器和振荡器等概念引入到生物学领域，人们计划将计算机程序与DNA分子连在一起，从而创造出崭新的数字化细胞。由此设计的细胞机器，人可以执行诸如探测并清除环境污染物、追踪体内癌细胞、制造抗生素或其他生物分子等功能。
科学家们之所以打算利用细胞，是因为细胞活动的多样性——比如细胞能够在海底火山周围以及酸性的矿井废水中生存；能高效率的生产抗生素、酶和其他有用化学物质；能探测到周围环境的微小变化并与周围环境相适应。
数字化细胞的目标并不是要在试管中生产出高性能的芯片，因为在速度和可靠性方面，细胞计算机可能永远无法与硅片相匹敌。按照波士顿大学生物工程学家蒂莫西 · 加德纳（Timothy Gardner）的观点，最终的目标是制造带有遗传性的'applets'（一种小应用程序），即含有DNA的小程序。由此人们可以像从互联网上下载'Java applets'一样将其下载人细胞内。通过对遗传物质（DNA）片段的剪切和粘贴，以及最近使用的人工演化作为工具，生物工程学家开始设计一种能执行特殊使命的全新微生物。这项工作不同于一般的编写程序，普林斯顿大学的伦 · 韦斯（Ron Weiss）形象的将之称为“堆砌DNA分子”。
数字电路是构建现代计算机的基础，它通过“0”和“1”编码了大量的信息，同时又能精确地控制利用这些信息。乍看起来，由众多细胞器、蛋白质和小分子物质构成的细胞与这一过程之间没有什么联系。然而，细胞在调节其活动并对环境做出反应时使用了与数字电路相同的策略，比如开-关转换、反馈环路等。此外，细胞是现在已知的最丰富的信息处理系统，因为细胞的DNA链中包含大量的信息，能详细指令如何以及何时构建数千种蛋白质，而且每个基因的控制中心会根据细胞变化的需要来启动或关闭基因的活动。研究者现在正努力将基因和控制中心连接起来，形成新的组合以构建所谓的遗传电路（就像电子线路将基本的硅片开关电路与晶体管连接起来一样）。这样，一个基因输出的蛋白质就可以调节下一个基因的活动。硅片电路运行复杂运算时利用了大量简单的逻辑门，遗传电路工程师正在细胞内构建的也是相似的装置。反相器就是这些逻辑门之一，当输入为“0”时输出为“1"；输入为“1”时输出为“0”；“与”门则是另一种逻辑门，它需要两个输入，并且当两个输入同时为“1"时输出也为“1”。虽然这两种逻辑门看似很简单，但数学家们能通过装配足够数量的逻辑门来完成各种复杂的逻辑操作。从1998年到2001年，韦斯模拟构建了一种细胞内反相器，一种“与”门和两种其他的逻辑门，从而在构建细胞逻辑电路方面迈出了第一步。
韦斯在大肠杆菌上构建的反相器是包含两个重要片段的DNA环，其中的基因编码指令蛋白质B，而相邻的DNA片段则是结合蛋白质A的部位。蛋白质A和蛋白质B的浓度编码输入和输出信息——蛋白质A浓度高代表输入为1；浓度低代表输入为0。蛋白质B的浓度对应输出。为制造蛋白质B，信使 RNA分子沿DNA自我装配，复制基因的指令并将其携带至细胞的蛋白质加工厂合成蛋白质。如果蛋白质A浓度高，蛋白质A分子将结合到DNA环上，阻碍信使 RNA与DNA的结合，因而阻止了蛋白质B的形成。反过来，如果蛋白质A浓度低，蛋白质B将大量产生。
生物工程师们通过装配反相器创造了许多令人感兴趣的装置。2000年，波士顿大学的加德纳、詹姆斯 · 柯林斯（James Collins）和查尔斯 · 坎托（Charles Cantor）在大肠杆菌体内构建了一个记忆（存储）装置，该装置含有两个反相器，其中一个输出的蛋白质是另一个的输入蛋白质。同一年，洛克菲勒大学的迈克尔 · 艾劳韦茨（Michael Elowitz）和斯坦尼斯拉斯 · 莱布勒（Stanislas Leibler）制造了一个振荡器，它是由三个反相器组成的环状结构，一个反相器的输出蛋白是下一个的输入蛋白。在对这个系统的测试中，任何一种蛋白质浓度的降低都能激活一种荧光蛋白。韦斯的研究小组也将注意力集中到大肠杆菌内一个由5个基因组成的回路上，它能探测周围的特殊化学信号，当化学物质的浓度在某一设定的范围内时能激活一种荧光蛋白。如果将细胞平铺开，它们将围绕某化学物质形成，一个荧光环，荧光环中心正是目标所在。不同的细胞可以被设计成响应不同信号的浓度并发出不同颜色的荧光，于是大量细胞就可以产生以颜色编码的浓度地形图。因此这种电路最终可用于探测环境中的有毒物质。
遗传电路说起来简单做起来难。比如，为了将两个“门”联系起来，第一个门产生的蛋白质必须以恰当的数量激活下一个门，而且每一步的输出蛋白质既不能过高又不能过低。为避免出现错误的结果，这就需要调整很多参数，比如各种蛋白质的浓度以及信使 RNA结合DNA序列的不同部位等。
通过反复试验做出参数调整的代价无疑是极其昂贵的。因为遗传电路工程师通常用酶将某一生物体的基因组切成DNA片段，再用其他的酶将这些片段与不同的化合物粘接在一起，并将它们移入另一有机体。这就像通过杂志剪切和粘贴写一篇文章一样。为了克服这些困难，遗传电路工程师们借助于数学建模来预知电路的情况。他们与生物学家、数学家以及其他研究人员共同开发了一种称为生物SPICE（Bio-SPICE）的计算机辅助设计工具（该工具的名称源于一种被称为SPICE的检测电子芯片设计的程序，已经有10年历史了）。BioSPICE通过对蛋白质、基因和其他分子之间的生化反应速度的数学建模来模拟一个遗传电路。由于这些电路通常包括复杂的反馈环路，模拟反应趋向于非线性方程，如果输入蛋白质的数量加倍，输出蛋白质的数量并不一定加倍。非线性方程一般应用于气象预报和种群必威在线网站首页网址 领域。在非线性方程中，参数的微小变化能导致系统巨大的波动，这就使得系统难以分析。然而非线性也正是遗传电路可能成为财富的源泉，因为“即便是在仅含3~4个基因的小基因网络中，仍然蕴藏着完整的信息。”由于对生化反应的许多参数还了解不足，再加上分子的随机波动，这些都使情况变得更复杂，因此数学模拟只能对电路是否工作给出部分信息。
与其他工程师的反复设计不同，韦斯现在正将演化作为工具引入到设计过程中，即一旦遗传电路工作基本达到要求后，韦斯允许DNA的变异，并以实验状态下的自然选择方法来解决艰苦的精炼工作。在2002年12月24日的《美国国家科学院学报》上，韦斯和加州理工学院的弗兰西丝 · 阿诺德（Frances mold）报道了他们的工作：用进化选择的方法解决了韦斯先前构建的一个反相器存在的缺陷。研究小组首先将一个微小的随机变化引入到反相器的拷贝中，然后将这个变异的DNA电路引入细胞内，并测量它们的活动，保留下活动更好的电路而丢弃其他的电路。这样只经过两轮演化变异，研究小组就筛选得到了真正工作的反相器。
细胞逻辑门的真正能力来自将其装配成大的电路。为此必须克服许多技术挑战。比如电路中的新门必须被不同于以前的门控蛋白质所开启和关闭；DNA设计也需要小心谨慎，保证每个阶段产生的蛋白质不会意外干扰电路的其他部分。对于遗传电路工程师来说，只能利用那些已经了解充分的蛋白质，但现在这样的蛋白质还是寥寥无几。
总之，从自然细胞中获得的灵感使人们提出了数字化细胞的设想，但加州大学伯克利分校的生物工程学家亚当 · 阿金（Adam Arkin）认为，这将是一个漫长的过程，他说：“我们现在还只迈出了一小步，因为仅仅构建多成分的电路就可能需要数年时间。虽然我们还不清楚会取得什么结果，但是只要坚持努力，我们一定会到达胜利的彼岸。”田纳西州橡树岭国家实验室的米切尔 · 辛普森（Michael Simpson）也认为，演化选择能使我们勾画出事情的概况，从而可以从生物系统中了解真正复杂的性能，如果研究者能解决如何将这些性能引入到细胞内，那么细胞机器人将不再遥远。
[Science News，2003年4月26日]