Інженери Массачусетського технологічного інституту (MIT) створили живі «транзистори» з бактерій, які виконують базові логічні операції та можуть працювати безпосередньо в біологічному середовищі. Про це повідомляє видання Interesting Engineering.
Замість кремнієвих компонентів команда використовує бактеріальні колонії, надруковані на агарі в чашках Петрі. Між цими колоніями рухаються хімічні сигнали, завдяки чому клітини обробляють інформацію та виконують логічні операції. У перспективі такі схеми можуть розміщуватися, наприклад, на листках або коренях рослин, виявляти стрес і запускати захисні реакції без участі традиційної електроніки.
Як бактерії перетворили на транзистори
Для створення біологічних транзисторів дослідники використали бактерію Pantoea agglomerans, яка зазвичай мешкає на рослинах та інших поверхнях. Вони сконструювали два варіанти цієї бактерії, що працюють як перемикачі.
Один тип бактеріального транзистора вмикається у відповідь на певний хімічний сигнал, інший — виконує протилежну функцію, тобто вимикається за наявності сигналу. Обидва варіанти здатні розпізнавати одну молекулу та виробляти іншу як вихідний хімічний сигнал.
Ще три штами бактерій виконують роль «реле» між транзисторами. Вони перетворюють один хімічний сигнал на інший, який уже може розпізнати наступний елемент схеми. Так формується мережа з окремих клітин, з’єднаних у більшу обчислювальну систему.
Якщо в електронних схемах сигнали рухаються дротами у вигляді електричного струму, то в цих біологічних схемах інформацію переносять молекули, що дифундують між бактеріальними колоніями. Колонії друкували на агарі з інтервалом близько 5 міліметрів, щоб сигнали рухалися саме до потрібної «сусідньої» колонії. Змінюючи розташування колоній, дослідники можуть перепроєктовувати схему, не змінюючи кожен її компонент окремо.
Живі клітини виконують логіку
Команда продемонструвала кілька логічних функцій, які можуть виконувати бактеріальні транзистори. Схеми здатні обробляти кілька вхідних сигналів і спрямовувати їх до конкретних виходів.
Одна з побудованих систем додає два вхідні сигнали, використовуючи для цього 24 бактеріальні колонії. Інші конфігурації реалізують логічні операції OR (логічне «АБО») та імплікацію (логічне «якщо…, то…»).
Дослідники також створили демультиплексор — схему, яка приймає один вхідний сигнал і, залежно від керуючого сигналу, спрямовує його до різних виходів. Такий модульний підхід допомагає обійти обмеження традиційної синтетичної біології, де зазвичай намагаються «запакувати» багато функцій в одну клітину.
Коли в одній клітині поєднують надто багато елементів, її білоксинтезувальна система перевантажується, а різні біологічні модулі починають заважати один одному. Розподіл функцій між різними клітинами дає змогу будувати складніші біологічні обчислювальні системи без такого перевантаження.
Обчислення прямо в рослинах
Біологічні схеми поки що набагато повільніші за електронні комп’ютери: на виконання однієї операції бактеріальній схемі потрібно близько 8 годин. Однак для завдань, пов’язаних із біологічними процесами, це не критично, адже рослини живуть і реагують на зміни протягом годин, днів і навіть сезонів.
Дослідники MIT планують розміщувати такі схеми на коренях або листках рослин. Бактерії зможуть виявляти сигнали, пов’язані з посухою, шкідниками чи хворобами, і запускати відповідь у вигляді біологічної реакції. Один із запропонованих варіантів — вироблення фунгіциду після того, як схема зафіксує стрес у рослини.
Керівник кафедри біологічної інженерії MIT Крістофер Войт (Christopher Voigt) наголошує, що мета цієї роботи — не замінити звичайні комп’ютери, а надати біологічним системам власні засоби обчислювального контролю.
Дослідження, опубліковане в журналі Nature Chemical Biology, демонструє інший підхід до архітектури обчислень: замість того, щоб інтегрувати біологію в електронні системи, вчені починають вбудовувати обчислення безпосередньо в живі організми. Робота частково профінансована агентствами DARPA та IARPA.