Бактерии объединили в живые схемы, способные выполнять вычисления: видео
Команда из Массачусетского технологического института создала бактерии, способные работать как транзисторы, и на их основе собрала живые «печатные платы» — колонии, которые можно напечатать прямо на питательную среду в чашке Петри. Исследование опубликовано в журнале Nature Chemical Biology.
Как бактерии заменяют электронные компоненты
В обычной электрической схеме транзистор работает как переключатель, замыкающий или размыкающий ток. В биологической схеме из MIT роль переключателей играют бактерии — они контролируют поток небольших молекул, а те передают сигналы дальше по цепочке.
Команда разработала два типа таких бактериальных транзисторов и три штамма-посредника, которые передают информацию между ними — своего рода провода в живой схеме. Вместе эти пять штаммов дают все элементы, чтобы собрать практически любую схему.
«Мы построили базовые компоненты компьютерной архитектуры, которые используются повсеместно, но с помощью этих пяти штаммов можно собрать любую операцию», — говорит Хамид Дусхоссейни, автор исследования и постдок MIT.
В перспективе такими схемами планируют покрывать листья или корни растений, чтобы те «вычисляли» и реагировали на условия среды — засуху или нападение вредителей. Руководил работой Кристофер Войт, глава кафедры биологической инженерии MIT.
Почему обычный подход не годился
Обычно при создании биологических схем клетку заставляют производить факторы транскрипции — молекулы, включающие или выключающие гены, — чтобы она распознавала нужное вещество и выдавала сигнал в ответ.
Такие простые схемы способны на базовые логические операции, но для каждой нужен свой уникальный набор факторов транскрипции, иначе сигналы путаются между собой. А поскольку подходящих факторов транскрипции не так много, сложность схемы упирается в потолок. К тому же слишком много схем в одной клетке перегружают ее «производственные мощности» по синтезу белков.
Команда MIT пошла другим путем — сделала клетки, которые сами работают как транзисторы, а их уже можно комбинировать в разных сочетаниях.
Из чего собрали живую схему
Для транзисторов выбрали бактерию Pantoea agglomerans, которая обычно живет на разных поверхностях, включая растения. На ее основе сделали два типа переключателей, срабатывающих от молекулы OC-6 — один тип она включает, другой выключает. Каждый транзистор также распознает молекулу-мишень OC-12. В зависимости от ее присутствия и состояния переключателя транзисторы производят на выходе молекулу OHC-14.
Еще три штамма Pantoea agglomerans работают ретрансляторами — переводят сигнал OHC-14 в форму, понятную следующему транзистору. Именно с их помощью транзисторы «соединяют проводами», как элементы обычной платы.
Колонии печатают на чашках с агаром — питательной средой — на расстоянии около 5 миллиметров друг от друга. Это гарантирует, что сигнал доходит только до ближайшей соседней колонии, а та передает его дальше — так информация движется строго в одном направлении.
Что уже умеют такие схемы
Исследователи показали транзистор, который в зависимости от своего положения в схеме способен выполнять разные логические операции — например, реагировать сразу на несколько входов, срабатывать по принципу «или» (хотя бы от одного сигнала) или по принципу логического следования, когда один сигнал определяет реакцию схемы на другой. Также собрали более сложные конструкции: они складывают два сигнала, обрабатывают несколько одновременно или работают демультиплексором — направляют один входящий сигнал по одному из нескольких маршрутов в зависимости от управляющего импульса.
Самая крупная из собранных схем — сумматор двух входных сигналов — состоит из 24 связанных между собой бактериальных колоний.
«Эта работа показывает, что можно продвигаться к более сложным функциям, соединяя простые функции отдельных клеток, — говорит Войт. — С точки зрения вычислений нет ничего такого, что умеет ваш iPhone, но не смогли бы эти схемы».
Не замена компьютерам, а вычисления внутри биологии
Одна операция в такой схеме занимает около восьми часов — заметно дольше, чем в электронном чипе. Но для биологических задач это приемлемый темп.
«Мы не пытаемся заменить компьютеры — мы хотим встроить вычислительный контроль прямо в биологию. Если бактерии живут на корнях растения, простой расчет за одну ночь — это вполне быстро относительно целого сезона роста», — объясняет Войт.
Если технологию адаптируют для сельского хозяйства, такие схемы можно будет наносить на корни растений для обнаружения разных типов стресса. Распознав сигнал опасности, схема сможет запустить ответную реакцию — например, синтез вещества против грибковой инфекции.
