當塔夫茨大學的發育生物學家邁克爾·萊文提出透過調整細胞的電訊號來創造新的生長模式時，他遇到了一些阻力。“人們認為這太瘋狂了，”萊文說。
那是因為雖然所有細胞都具有電勢（定義為將給定的電單位逆著電場移動所需的能量），並且這些電勢顯然與細胞特性有關——但在大多數情況下，人們認為電勢主要與細胞維護或“日常運作”有關。傳統的觀點認為，擾亂細胞的電勢會殺死它。
然而，十多年來，萊文的工作一直在反駁這種觀點。他以各種方式操縱細胞的電勢，創造出各種奇異的生物：尾巴或腸道內長眼睛的蝌蚪，以及在截肢腿部部位長出腳趾的青蛙。
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事實上，萊文認為他已經找到了細胞生物電的新作用。他假設細胞電壓的模式創造了一個電訊號系統，指導身體如何生長。他稱這些訊號為生物電程式碼，並認為它們在理解生長和發育方面與體內的基因或控制基因開關的各種化學開關一樣重要。的確，他認為細胞電勢的變化也可以作為所謂的表觀遺傳開關，來調節基因的功能。
雖然“生物電程式碼”這個詞可能由萊文首創，但電訊號與生長模式相關的觀點並非新概念。印第安納大學-普渡大學印第安納波利斯分校的再生生物學家大衛·斯托克姆說：“這個想法由來已久。”斯托克姆說：“[萊文]實際上是用專門的染料觀察細胞電勢，將這種研究提升到了更高的藝術水平。”
一些最早的調查可以追溯到近一百年前。在20世紀早期，耶魯大學生物學家哈羅德·伯爾將各種生物體放入電壓表中研究它們的電勢，並提出形狀和電特性之間存在聯絡。然後在1970年代，伍茲霍爾海洋生物實驗室的生物學家萊昂內爾·賈夫使用探針研究細胞內部和周圍的電流。他注意到能夠再生的生物（如蠑螈）和不能再生的生物（如成年青蛙）的電特性存在差異。但在隨後的幾十年裡，隨著分子生物學和遺傳學的興起，大部分生物電研究被遺忘了。
近年來，蘇格蘭阿伯丁大學的研究人員一直在研究電場如何引導組織在癒合過程中的生長。但萊文的方法是第一個從單個細胞層面觀察電勢，以及如何將它們納入我們對分子生物學的認識的方法。
所有細胞都具有電勢，這種電勢來自於細胞膜兩側帶電原子和分子或離子之間的差異。高度可塑的細胞，如干細胞（具有發育成其他細胞型別能力的細胞）以及腫瘤細胞（以異常和不受控制的生長為特徵）具有低電勢，而成熟和穩定的細胞則具有高電勢。
萊文推斷，如果你能改變細胞的電勢，你就可以改變它的生長方式。透過改變許多細胞的電勢，他假設他可以觸發特定結構的生長。萊文將這些電活動模式視為細胞通訊的一種形式，發出何時以及如何生長的訊號。
為了驗證他的假設，萊文借鑑了神經科學和分子生物學的工具。例如，透過將新的遺傳物質或化合物插入細胞，他發現他可以操縱它們的電勢。例如，注射適當的遺傳資訊會導致細胞膜中產生新的泵和通道，允許離子透過，而某些藥物化合物可以促進離子在細胞內外流動。最近，他的實驗室開始發表結合了光遺傳學的工作，光遺傳學涉及包含製造光敏蛋白的遺傳指令的基因，使研究人員能夠透過撥動燈開關來控制細胞變化。
從概念上講，這種方法很簡單——透過鼓勵或限制流動來幫助離子進出——但在實踐中，它更復雜，需要進行復雜的計算來確定哪些變化將在細胞內外產生所需的電荷。“你必須考慮所有存在的泵和通道的整個數學，以及細胞內部和外部的介質，”萊文說。
在1月份的《Development》雜誌上，萊文和他的同事描述了他們如何識別出負責青蛙眼睛生長的細胞電壓模式。在早期發育過程中調整這些電壓會導致眼睛畸形。在身體的其他細胞簇中模仿這種電壓模式會誘導這些位置的眼睛生長，從而創造出尾巴或背部長眼睛的青蛙。
這項工作是再生生物學的概念驗證。萊文認為，人們可以獲取身體中的任何細胞簇——包括成熟且完全分化的細胞——並透過改變電勢來覆蓋現有的化學和分子訊號。然後，這些訊號將指導生長成任何想要的形狀，例如新的鼻子或眼睛，以及操縱它們來修復失去的肢體或糾正出生缺陷。
這項研究最令人印象深刻的不是結果——研究再生醫學的科學家幾十年來已經透過移植和化學干預創造了類似的奇異生物——而是方法。電訊號有可能充當主開關，這意味著研究人員不需要了解建立新結構所涉及的後續化學和分子訊號的相互作用。
這並不是說遺傳學和表觀遺傳學不重要。事實上，萊文指出，這些訊號都是迴圈聯絡和相互依存的。“例如，遺傳學決定了細胞的通道，而通道反過來又決定了梯度，”他說。“而生物電梯度可以改變基因表達。”然而，這三組訊號在自然界中是如何相互交織的，目前尚不清楚。
萊文的實驗室還演示瞭如何使用觀察電勢模式來識別異常生長——他們認為這一發現可能對癌症研究具有重要意義。在即將發表在5月份的《Disease Models & Mechanisms》雜誌上的一項研究中，該團隊詳細介紹了他們如何識別與腫瘤形成相關的電訊號。萊文和研究生布魯克·切爾內特注意到與腫瘤樣結構相關的生物電特徵，這為發現癌症提供了一種新穎的方法。此外，他們甚至在提高這些細胞通常較低的電勢以防止腫瘤發展方面取得了一些成功。
但是，在理解萊文的生物電程式碼的可能性方面，仍然存在許多挑戰。例如，萊文認為，還需要更多地瞭解細胞生理學，並希望透過更多的資料和工具，他和他的同事可以開始系統地瞭解生物電訊號集如何與特定的生長模式相關聯。
這項工作在其他動物身上轉化得如何還有待觀察。代頓大學的再生生物學家帕納吉奧蒂斯·特索尼斯指出，雖然成年青蛙通常不會再生肢體，但兩棲動物通常比哺乳動物更擅長再生，且不易患癌症。“我希望看到這項工作擴充套件到小鼠等動物身上，”特索尼斯說。“如果那樣可行，那就太棒了。”