Специалисты Массачусетского технологического института (MIT) разработали методику, позволяющую использовать бактерии в качестве транзисторов, что открывает путь к созданию живых печатных плат на питательной среде в чашке Петри. В традиционной электронике транзисторы выполняют функцию переключателей, регулирующих поток электрического тока. В биологической системе, созданной в MIT, бактерии выполняют аналогичную задачу, управляя перемещением сигнальных молекул, которые передают информацию между элементами схемы.
В ходе работы были созданы два типа бактериальных транзисторов и три дополнительных штамма бактерий, выступающих в роли ретрансляторов. Такая комбинация из пяти штаммов образует гибкий набор инструментов, который можно использовать для сборки разнообразных схем. В рамках исследования ученые сконструировали устройства, способные объединять два или три входных сигнала, а также направлять входящий сигнал к заданному участку цепи. Как отметил ведущий автор работы Хамид Дустхоссейни, на основе этих пяти штаммов можно построить любую вычислительную операцию, хотя изначально были реализованы лишь базовые компоненты компьютерной архитектуры.
В перспективе исследователи надеются создавать биологические схемы, которые можно будет размещать на листьях или корнях растений. Такие устройства могли бы обрабатывать данные об изменениях окружающей среды, включая засуху или атаки вредителей, и запускать соответствующий ответ. Статья с описанием разработки опубликована в журнале Nature Chemical Biology, а научным руководителем проекта выступил Кристофер Войт, возглавляющий кафедру биологической инженерии MIT.
Традиционные схемы синтетической биологии строятся путем встраивания в клетки белков и факторов транскрипции, которые взаимодействуют определенным образом. Однако такие системы ограничены количеством подходящих факторов транскрипции, что не позволяет создавать слишком сложные конструкции внутри одной клетки. Коллектив MIT пошел другим путем, создав отдельные клетки-компоненты, которые можно комбинировать в различных сочетаниях. Для этого использовалась бактерия Pantoea agglomerans, обычно обитающая на поверхности растений. Транзисторы на ее основе управляются молекулой OC-6, а также могут реагировать на другую молекулу OC-12, вырабатывая сигнальное вещество OHC-14.
Для физического построения цепей бактериальные колонии печатались на агаровые пластины с расстоянием около пяти миллиметров между соседними элементами. Такое расстояние критически важно, поскольку оно ограничивает распространение химического сигнала, позволяя ему достигать только ближайшей колонии и обеспечивая однонаправленную передачу информации. Ученые продемонстрировали, что одиночный транзистор может выполнять несколько логических операций, включая «или» и «импликацию», а более сложные схемы способны складывать сигналы и работать как демультиплексор, направляющий входящий сигнал к одному из нескольких выходов. Самая крупная из продемонстрированных схем содержала 24 соединенные бактериальные колонии.
Живые схемы работают значительно медленнее электронных компьютеров: каждая вычислительная операция занимает около восьми часов. Однако для биологических применений такая скорость является приемлемой. По словам Войта, цель состоит не в замене компьютеров, а во внедрении вычислительного контроля в биологические процессы. Например, если бактерии находятся на корнях растения, проведение простого расчета за ночь вполне достаточно по сравнению с сезоном роста. В сельском хозяйстве подобные схемы могли бы обнаруживать различные виды стресса у растений и инициировать биологический ответ, например выработку фунгицида. Исследование финансировалось Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов США (DARPA) и Агентством перспективных исследовательских проектов разведывательного сообщества США (IARPA).