По сообщению MIT News, исследователи Массачусетского технологического института (MIT) представили бактериальные клетки, способные работать в качестве полноценных транзисторов — ключевых переключателей, регулирующих потоки сигналов. Это достижение прокладывает путь к созданию «живых печатных плат», выращиваемых непосредственно на питательном субстрате в чашке Петри. В перспективе подобные биосхемы, размещённые на листьях растений, могли бы наделить зелёные организмы встроенными биологическими вычислительными модулями, отслеживающими состояние среды и реагирующими на её изменения.
Если в классической электронике транзистор выполняет функцию переключателя, контролирующего прохождение тока, то в биологической системе, разработанной в MIT, эту роль берут на себя микробные клетки. Они регулируют перемещение мельчайших сигнальных молекул, которые выступают носителями информации между элементами цепи.
Созданный авторами набор насчитывает пять разновидностей клеточных компонентов, охватывающих базовые операции, необходимые для построения логических схем. «Мы создаём начальные компоненты компьютерного конструирования, которые обычно используются, но любую операцию можно построить с помощью этих пяти составляющих», — поясняет Хамид Доостоссейни, постдок MIT и ведущий автор исследования.
Превращение бактериальных клеток в транзисторы
Синтетические биологические цепи, создававшиеся ранее, основываются на программировании клеток для выработки белков и факторов транскрипции, вступающих в сложные взаимодействия. Подобные конструкции позволяют заставить клетку распознавать специфические молекулы и отвечать на них определённым образом. Однако по мере усложнения схемы возникают фундаментальные ограничения: каждая дополнительная операция требует нового фактора транскрипции, а число доступных факторов ограничено. Вдобавок большое количество цепей, сосредоточенных внутри одной клетки, создаёт чрезмерную нагрузку на её белоксинтезирующий аппарат, что ставит практический предел сложности такого рода конструкций.
Стремясь обойти обозначенные выше потолки, группа MIT избрала принципиально иную стратегию. Вместо размещения всей схемы в пределах одной клетки биологи сконструировали отдельные клетки, каждая из которых выполняет роль транзисторного элемента, и предусмотрели возможность их произвольного соединения.
Базовым организмом послужила бактерия Pantoea agglomerans, в естественных условиях обитающая на растительных поверхностях. От неё были получены два варианта транзисторов, восприимчивых к молекуле под названием OC6: один из них активируется этим соединением, другой — переходит в неактивное состояние.
Соединение живых клеток вместе
Помимо перечисленных сигналов, каждый транзистор дополнительно распознаёт вторую молекулу — OC12. Синтез выходной молекулы OHC14 происходит в зависимости от того, присутствует ли OC12 и в каком состоянии — включённом или выключенном — находится сам транзистор.
Для объединения клеточных «деталей» в единую цепь и были созданы три штамма Pantoea agglomerans, работающих как ретрансляционная команда. Эти клетки трансформируют сигнал OHC14 в иной выходной сигнал, способный служить входом для следующего транзистора. Подобная трансформация обеспечивает последовательное соединение бактериальных компонентов, подобное монтажу электронной платы. Используя такую схему соединения, исследователи построили двунаправленный переключатель.
Одно из потенциальных применений такой технологии — внедрение биологических цепей в листья растений. Обосновавшись там, бактериальные транзисторы могли бы обрабатывать экологическую информацию, помогая зелёным организмам обнаруживать стрессы (например, засуху или повреждения, вызванные вредоносными факторами) и быстро адаптироваться к ним.
Отчёт о работе недавно опубликован в журнале Nature Chemical Biology. Старшим автором статьи выступил Кристофер Фойгт, возглавляющий факультет биологической инженерии Массачусетского технологического института. Соавтором также значится Хаоронг Чен, ранее занимавший постдокторскую должность в этом же институте.
нием двух транзисторов, которые обнаруживают OC 12. В зависимости от отдельного входа эта система переключателя отправляет информацию через различные реле, прежде чем передавать ее внешним транзисторам для дальнейших обработок.
Чтобы составить схемы, исследователи нанесли на пластинки бактериальные колонии, содержащие агары, служащие питательной среде. Каждая колония располагалась примерно в 5 миллиметрах от ближайшего соседа. Такое расстояние позволяет добиться того, что химические сигналы передают только следующую колонию в последовательности, что приводит к перемещению информации по цепи в одном направлении.
Создание более сложных биологических цепей
Исследователи показали, что один и тот же бактериальный транзистор может выполнять несколько логических операций в зависимости от того, где он расположен в схеме. К ним относятся «множественный вход», «или» и «подразумевается»; ворота.
Соединив несколько транзисторов, команда также создала более сложную систему. Схемы могут выдавать два сигнала, обрабатывать несколько сигналов одновременно или работать как демультиплексор, который принимает один входящий сигнал и направляет его в одну из нескольких точек определения на основе отдельного управляющего сигнала.
Самая крупная схема, показанная в здании, привела к объединению 24 бактериальных колоний и была создана для объединения двух входов.
«Эта работа показывает, что мы можем перейти к более сложным функциям, связывая более простые функции в отдельных ячейках», — сказал он. — говорит Фойгт. «С точки зрения компьютера нет ничего из того, что могло бы сделать ваш iPhone, чего нельзя было бы сделать по этой схеме».
Однако существует существенная разница в скорости. Каждый расчет, производимый бактериальными цепочками, занимает около восьми часов, что намного больше, чем потребовалось электронному компьютеру. Тем не менее, исследователи говорят, что темпы применения биологических технологий все еще могут быть практичными.
"Мы не пытаемся заменить компьютеры, а скорее вкладываем вычислительный контроль в биологию. Если у вас есть бактерии на корневых растениях или растениях при проведении расчетов, выполнение простого расчета в ночное время будет достаточно быстрым по сравнению с сезоном роста», — сказал он. — говорит Фойгт.
Живые компьютеры для сельского хозяйства
Одно из возможных применений — управление хозяйством. Если эти схемы в конечном итоге можно будет связать с верхними растениями, их можно будет запрограммировать на обнаружение различных форм стресса. Когда система распознает текущий сигнал, она может вызвать соответствующую реакцию, например, производство фунгицида.
Исследование частично финансировалось Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США и Управлением перспективных исследовательских проектов разведки США.