V shage, kotoryy razmyvaet granitsu mezhdu biologiey i vashim materinskoy platoy, issledovateli MIT sozdali inzhenernye bakterii, kotorye funktsioniruyut kak zhivye tranzistory, sozdavaya biologicheskie 'pechatnye platy', kotorye mozhno pechatat' na chashe Petri. Potomu chto esli chto-to i nuzhno, tak eto bol'she skhem - tol'ko na etot raz organicheskikh.
V obychnoy elektronike tranzistory deystvuyut kak pereklyuchateli, upravlyayushchie elektricheskim tokom. V sisteme MIT inzhenernye bakterial'nye kletki delayut nechto podobnoe, no vmesto elektronov oni reguliruyut dvizhenie malen'kikh signal'nykh molekul. Eti molekuly zatem perenosyat informatsiyu k drugim komponentam v biologicheskoy tsepi, po suti sozdaya miniatyurnuyu, myagkuyu komp'yuternuyu set'.
Issledovateli sozdali dva tipa bakterial'nykh tranzistorov i tri dopolnitel'nykh shtamma bakteriy, kotorye deystvuyut kak rele mezhdu nimi. Vmeste eti pyat' shtammov obrazuyut modul'nyy nabor instrumentov, kotoryy mozhno raspolozhit' dlya sozdaniya pochti lyubogo tipa skhemy. V svoyem novom issledovanii oni prodemonstrirovali skhemy, sposobnye skladyvat' dva ili tri vkhodnykh signala i napravlyat' odin vkhodnoy signal k vybrannomu adresatu. Potomu chto komu ne nuzhen bakterial'nyy kal'kulyator?
"My sozdali nekotorye nachal'nye komponenty komp'yuternoy arkhitektury, kotorye obychno ispol'zuyutsya, no lyubuyu operatsiyu mozhno postroit' s pomoshch'yu etikh pyati shtammov", - govorit Khamid Doostkhosseini, doktorant MIT 2025 goda i vedushchiy avtor issledovaniya. Perevod: budushcheye vychisleniy mozhet slabo pakhnut' agarom.
Odnim iz potentsial'nykh primeneniy yavlyaetsya razmeshcheniye etikh zhivykh skhem na list'yakh ili kornyakh rasteniy, gde oni mogut obrabatyvat' informatsiyu ob okruzhayushchey srede i pomogat' rasteniyam obnaruzhivat' i reagirovat' na stressy, takiye kak zasukha ili ataki vrediteley. Nakonets-to, primeneniye dlya bakteriy, kotoroye ne svyazano s antibiotikami ili isporchennoy yedoy.
Kristofer Voygt, rukovoditel' kafedry biologicheskoy inzhenerii MIT, yavlyaetsya starshim avtorom, a stat'ya nedavno byla opublikovana v zhurnale Nature Chemical Biology. Byvshiy postdok MIT Khaorong Chen takzhe vnes vklad, predpolozhitel'no, dadv imena neskol'kim shtammam.
Skhemy sinteticheskoy biologii obychno vklyuchayut inzheneriyu kletok dlya proizvodstva belkov i transkriptsionnykh faktorov, kotorye vzaimodeystvuyut. Eti sistemy mogut byt' zaprogrammirovany na obnaruzheniye molekul i vyrabotku otvetov. Odnako ikh slozhnost' ogranichena, potomu chto kazhdaya operatsiya trebuyet razlichnykh transkriptsionnykh faktorov, chtoby izbezhat' interferentsii signalov. Sushchestvuyet prakticheskiy potolok togo, naskol'ko slozhnoy mozhet byt' skhema vnutri odnoy kletki - slishkom mnogo peregruzhaet apparat proizvodstva belkov. Komanda MIT oboshla eto, ispol'zuya otdel'nye kletki v kachestve modul'nykh komponentov, a ne pytayas' vpikhnut' vsyu skhemu v odnu bakteriyu.
Dlya svoikh komponentov oni ispol'zovali Pantoea agglomerans, bakteriyu, kotoraya obychno rastet na poverkhnosti rasteniy. Oni sozdali dve versii bakterial'nykh tranzistorov, kotorye reagiruyut na molekulu pod nazvaniyem OC 6 - odin vklyuchayetsya pri vstreche s molekuloy, drugoy vyklyuchayetsya. Kazhdyy tranzistor takzhe chuvstvuyet vtoruyu tselevuyu molekulu, OC 12. V zavisimosti ot togo, prisutstvuyet li OC 12 i sostoyaniya aktivatsii tranzistora, kletka proizvodit vychodnuyu molekulu pod nazvaniyem OHC 14. Eto kak molekulyarnaya igra v isporchennyy telefon, no s khimiey.
Komanda takzhe sozdala tri shtamma Pantoea agglomerans, kotorye deystvuyut kak rele, preobrazuya signal OHC 14 v drugoy vykhod, kotoryy sluzhit vkhodom dlya sleduyushchego tranzistora. Eto pozvolyayet soedinyat' otdel'nye komponenty 'provodami', podobno detalyam na elektronnoy pechatnoy plate. Oni dazhe postroili dvunapravlennyy pereklyuchatel, ispol'zuya dva tranzistora, kotorye obnaruzhivayut OC 12, napravlyaya informatsiyu cherez razlichnye rele na osnove otdel'nogo vkhoda pereklyuchatelya.
Dlya sborki skhem oni napechatali bakterial'nye kolonii na agarovykh plastinakh, razmestiv kazhduyu koloniyu na rasstoyanii okolo 5 millimetrov ot sosedney. Eto garantiruyet, chto khimicheskie signaly dostigayut tol'ko sleduyushchey kolonii, podderzhivaya potok informatsii v odnom napravlenii. Net soobshcheniy o tom, ispol'zovali li oni miniatyurnyy payal'nik.
Issledovateli pokazali, chto odin i tot zhe bakterial'nyy tranzistor mozhet vypolnyat' neskol'ko logicheskikh operatsiy v zavisimosti ot yego polozheniya, vklyuchaya "multi-input", "or" i "imply" zatvory. Po