Ученые MIT превратили бактерии в «живые транзисторы» для создания биологических компьютеров

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) создали бактерии, которые работают как транзисторы, что позволяет формировать «живые печатные платы» в чашке Петри.

В традиционной электронике транзисторы действуют как переключатели, контролируя прохождение электрического тока. В системе MIT инженерные бактериальные клетки выполняют аналогичную роль, регулируя перемещение небольших сигнальных молекул, которые передают информацию другим компонентам биологической цепи.

Ученые создали два типа бактериальных транзисторов и три дополнительных штамма бактерий, действующих как реле между ними. Вместе эти пять штаммов образуют модульный набор компонентов, которые можно комбинировать для создания практически любых схем. В ходе исследования команда продемонстрировала цепи, способные складывать два или три входных сигнала и направлять один входной сигнал к выбранному адресату.

«Мы создали некоторые первоначальные компоненты компьютерной архитектуры, которые обычно используются, но с помощью этих пяти штаммов можно построить любую операцию», — говорит Хамид Дустхоссейни, постдок MIT и ведущий автор исследования.

Одно из потенциальных применений — размещение таких живых схем на листьях или корнях растений. Бактерии смогут обрабатывать информацию об условиях окружающей среды, помогая растениям обнаруживать стресс (например, засуху или атаку вредителей) и реагировать на него. Старшим автором работы выступил Кристофер Войт, руководитель факультета биологической инженерии MIT. Исследование опубликовано в журнале Nature Chemical Biology.

Вместо того чтобы размещать всю схему внутри одной клетки, команда MIT сконструировала отдельные клетки так, чтобы они служили транзисторными компонентами, которые можно соединять в различных конфигурациях. Для этого использовалась бактерия Pantoea agglomerans, обычно растущая на поверхностях, включая растения. Были созданы две версии транзисторов, реагирующих на молекулу OC 6: один включается при обнаружении молекулы, другой — выключается. Каждый транзистор также чувствителен к молекуле OC 12. В зависимости от наличия OC 12 и состояния транзистора клетка производит выходную молекулу OHC 14.

Затем команда сконструировала три штамма Pantoea agglomerans для работы в качестве реле. Эти клетки преобразуют сигнал OHC 14 в другой выходной сигнал, который служит входом для следующего транзистора. Таким образом, отдельные бактериальные компоненты можно «соединять» подобно деталям на электронной плате. Например, исследователи создали двунаправленный переключатель, а также схемы, способные складывать сигналы, обрабатывать их одновременно или работать как демультиплексор, направляющий один входной сигнал к одному из нескольких адресатов на основе управляющего сигнала. Самая большая схема, продемонстрированная в исследовании, содержала 24 взаимосвязанные бактериальные колонии и была предназначена для сложения двух входных сигналов.

Для сборки схем исследователи печатали бактериальные колонии на чашки с агаром, размещая их на расстоянии около 5 миллиметров друг от друга, чтобы химические сигналы распространялись только в одном направлении.

«Эта работа показывает, что мы можем достигать более сложных функций, связывая простые функции в отдельных клетках. С вычислительной точки зрения нет ничего, что ваш iPhone мог бы сделать, а эти схемы не могли бы», — отмечает Войт. Однако есть существенная разница в скорости: каждый расчет занимает около восьми часов. «Мы не пытаемся заменить компьютеры, а скорее внедрить вычислительный контроль в биологию. Если бактерии находятся на корне растения, или само растение выполняет вычисления, то простой расчет за ночь достаточно быстр по сравнению с сезоном роста», — добавляет он.

Одно из возможных применений — сельское хозяйство. Если такие схемы разместить на корнях растений, их можно запрограммировать на обнаружение различных типов стресса и запуск ответной реакции, например, выработку фунгицида. Исследование частично финансировалось Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) и Агентством перспективных исследовательских проектов в сфере разведки США (IARPA).