W posunięciu, które zaciera granicę między biologią a twoją płytą główną, naukowcy z MIT zaprojektowali bakterie tak, aby działały jak żywe tranzystory, tworząc biologiczne 'płyty obwodów', które można wydrukować na szalce Petriego. Bo jeśli jest jedna rzecz, której potrzebujemy, to więcej obwodów – tylko tym razem organicznych.
W konwencjonalnej elektronice tranzystory działają jak przełączniki kontrolujące prąd elektryczny. W systemie MIT zmodyfikowane komórki bakteryjne robią coś podobnego, ale zamiast elektronów regulują przepływ małych cząsteczek sygnałowych. Cząsteczki te przenoszą następnie informacje do innych komponentów w biologicznym obwodzie, tworząc w zasadzie maleńką, miękką sieć komputerową.
Naukowcy skonstruowali dwa typy bakteryjnych tranzystorów oraz trzy dodatkowe szczepy bakterii, które działają jako przekaźniki między nimi. Razem te pięć szczepów tworzy modułowy zestaw narzędzi, który można układać, aby zbudować niemal dowolny obwód. W swoim nowym badaniu zademonstrowali obwody zdolne do dodawania dwóch lub trzech sygnałów wejściowych i kierowania pojedynczego sygnału do wybranego miejsca przeznaczenia. Bo kto nie potrzebuje bakteryjnego kalkulatora?
'Zbudowaliśmy niektóre początkowe komponenty architektury komputerowej, które są powszechnie używane, ale każdą operację można zbudować z tych pięciu szczepów' – mówi Hamid Doosthosseini, doktorant z MIT i główny autor badania. W tłumaczeniu: przyszłość informatyki może pachnieć lekko agarem.
Jednym z potencjalnych zastosowań jest umieszczenie tych żywych obwodów na liściach lub korzeniach roślin, gdzie mogłyby przetwarzać informacje środowiskowe i pomagać roślinom wykrywać stresy, takie jak susza czy ataki szkodników oraz reagować na nie. Wreszcie zastosowanie dla bakterii, które nie obejmuje antybiotyków ani zepsutego jedzenia.
Christopher Voigt, kierownik Katedry Inżynierii Biologicznej na MIT, jest starszym autorem, a artykuł został niedawno opublikowany w Nature Chemical Biology. Były postdoc z MIT, Haorong Chen, również przyczynił się do powstania pracy, prawdopodobnie nadając nazwy kilku szczepom.
Obwody biologii syntetycznej zazwyczaj obejmują zaprojektowanie komórek tak, aby produkowały białka i czynniki transkrypcyjne, które wchodzą w interakcje. Systemy te można zaprogramować do wykrywania cząsteczek i wytwarzania odpowiedzi. Jednak ich złożoność jest ograniczona, ponieważ każda operacja wymaga odrębnych czynników transkrypcyjnych, aby uniknąć interferencji sygnałów. Istnieje praktyczny sufit co do tego, jak skomplikowany obwód może być wewnątrz pojedynczej komórki – upchnięcie zbyt wielu przeciąża maszynerię produkującą białka. Zespół z MIT ominął ten problem, używając pojedynczych komórek jako modułowych komponentów, zamiast próbować upchnąć cały obwód w jednej bakterii.
Do swoich komponentów użyli Pantoea agglomerans, bakterii powszechnie rosnącej na powierzchniach roślin. Zaprojektowali dwie wersje bakteryjnych tranzystorów, które reagują na cząsteczkę zwaną OC 6 – jeden włącza się, gdy napotka cząsteczkę, drugi wyłącza. Każdy tranzystor wykrywa również drugą cząsteczkę docelową, OC 12. W zależności od obecności OC 12 i stanu aktywacji tranzystora, komórka produkuje cząsteczkę wyjściową zwaną OHC 14. To jak molekularna gra w głuchy telefon, ale z chemią.
Zespół zaprojektował również trzy szczepy Pantoea agglomerans, aby działały jako przekaźniki, przekształcając sygnał OHC 14 w inne wyjście, które służy jako wejście dla następnego tranzystora. Pozwala to na 'okablowanie' poszczególnych komponentów razem, podobnie jak części na elektronicznej płycie obwodów. Zbudowali nawet dwukierunkowy przełącznik używając dwóch tranzystorów wykrywających OC 12, kierując informacje przez różne przekaźniki w zależności od osobnego wejścia przełącznika.
Aby złożyć obwody, wydrukowali kolonie bakteryjne na płytkach agarowych, umieszczając każdą kolonię w odległości około 5 milimetrów od sąsiada. Zapewnia to, że sygnały chemiczne docierają tylko do następnej kolonii, utrzymując przepływ informacji w jednym kierunku. Brak informacji, czy użyli miniaturowej lutownicy.
Naukowcy wykazali, że ten sam bakteryjny tranzystor może wykonywać wiele operacji logicznych w zależności od jego pozycji, w tym bramki 'wielowejściowe', 'lub' i 'implikacja'. Dzięki