Дослідники з Массачусетського технологічного інституту (MIT) вивели бактерії, здатні функціонувати як транзистори, що дозволило команді створювати живі «друкарські плати», які можна наносити на живильне середовище у чашці Петрі.
В електричних ланцюгах транзистори працюють як перемикачі, які можуть вмикати чи вимикати струм. У створених дослідниками біологічних схемах бактеріальні перемикачі контролюють потік малих молекул, які передають сигнали нижчим компонентам схеми.
Дослідницька група розробила два різні транзистори, а також три штами бактерій, які передають інформацію між транзисторами, надаючи їм будівельні блоки, необхідні для проєктування практично будь-якого типу схем. У новому дослідженні вони використовували ці клітини для створення схем, які можуть складати два або три входи або передавати один вхід у певне місце у схемі.
"Ми створили деякі початкові компоненти комп'ютерної архітектури, які широко використовуються, але будь-яку операцію можна побудувати за допомогою цих п'яти штамів", - говорить Хамід Дустоссейні, доктор філософії, науковий співробітник MIT і провідний автор нового дослідження.
Використовуючи цей підхід, дослідники сподіваються розробити схеми, які в майбутньому зможуть покривати листя або коріння рослин, обробляючи дані для розпізнавання та реагування на умови довкілля, такі як посуха або напад шкідників.
Крістофер Фойгт, керівник кафедри біологічної інженерії Массачусетського технологічного інституту, є головним автором статті, опублікованої в журналі Nature Chemical Biology. Колишній науковий співробітник Массачусетського технологічного інституту Хаоронг Чен також є одним з авторів статті.
Клітини як транзистори
При розробці схем синтетичної біології дослідники зазвичай модифікують клітини таким чином, щоб вони експресували білки та фактори транскрипції, які взаємодіють для виконання завдання, наприклад розпізнавання цільової молекули, що потім запускає виробництво певного вихідного сигналу.
Ці прості схеми можуть виконувати різні логічні функції, але вони повинні використовувати унікальні фактори транскрипції, щоб уникнути перехресних перешкод усередині схеми. Існує обмежена кількість факторів транскрипції, які можна використовувати для цих схем, що обмежує загальну складність, яка може бути досягнута в одній клітині. Крім того, розміщення завеликої кількості схем в одній клітині може перевантажити механізм виробництва білків клітини.
У новій статті дослідники застосували інший підхід: замість того, щоб вбудовувати всю схему в одну клітину, вони розробили клітини, які б діяли як транзистори. Ці транзистори потім можна комбінувати різними способами задля створення різноманітних схем.
Для створення транзисторів дослідники обрали бактерію Pantoea agglomerans, яка зазвичай росте на поверхнях, у тому числі рослинах. Використовуючи ці клітини, вони створили два типи транзисторів, які можуть включатись або вимикатися молекулою OC-6. Один із транзисторів включається цим вхідним сигналом, а інший вимикається. Кожен транзистор також виявляє присутність цільової молекули, у цьому разі OC-12. Залежно від того, чи є ця молекула і чи активний перемикач, транзистори виробляють вихідну молекулу, відому як OHC-14.
Дослідники також використовували три штами Pantoea agglomerans для створення реле, які перетворюють сигнал OHC-14 у вихідний сигнал, який може подаватися на інший транзистор. Використовуючи ці релейні схеми, дослідники можуть «з'єднувати» транзистори разом, подібно до електронної плати.
Наприклад, можна створити двонапрямний перемикач з двома транзисторами, які розпізнають OC-12, а потім передадуть цю інформацію різним релейним схемам залежно від вхідного сигналу перемикача, зрештою подаючи її на інші транзистори, які далі оброблять сигнал.
Дослідники створили свої схеми, надрукувавши колонії бактерій на чашках Петрі з агаром, живильним середовищем. Кожна колонія надрукована приблизно за 5 міліметрів від найближчої. Це дозволяє сигналам передаватися лише до найближчої колонії, яка потім передає їх наступній, тому інформація передається лише в одному напрямку.
Складні обчислення
У цій статті дослідники продемонстрували транзистор, здатний виконувати кілька типів логічних операцій залежно від його розташування у схемі, включаючи «багатовходовий», «або» та «імплікація» вентилі. Вони також об'єднали транзистори для створення складніших схем, які можуть складати два сигнали, обробляти більше сигналів одночасно або функціонувати як демультиплексор - схема, яка приймає один вхідний сигнал і відправляє його в одне з кількох можливих місць призначення залежно від сигналу, що управляє.
Найбільша з цих схем, що складає два входи, містить 24 бактеріальні колонії, з'єднані разом.
"Ця робота показує, що ми можемо наблизитися до складніших функцій, пов'язуючи простіші функції в окремих клітинах", - говорить Фойгт. "З обчислювального погляду, немає нічого, що ваш iPhone міг би зробити, чого не могли б зробити ці схеми."
Схеми, створені з цих клітин, виконують кожне обчислення приблизно за вісім годин, що набагато довше, ніж комп'ютерна схема. Але для біологічних програм це розумний час, кажуть дослідники.
"Ми не намагаємось замінити комп'ютери, а скоріше впровадити обчислювальне управління у біологію. Якщо у вас є бактерії на корені рослини або сама рослина виконує обчислення, то виконання простого обчислення за ніч досить швидко порівняно з вегетаційним періодом", — каже Фойгт.
Якщо цей тип схеми буде розроблено для використання у сільському господарстві, його можна буде застосовувати до коріння рослин для виявлення різних типів стресу. Після виявлення певного впливу це запустить реакцію у відповідь, наприклад, синтез фунгіциду.
