Jak MIT sestavil přestavitelné obvody z geneticky upravených bakterií

Experimentální postup nejprve počítal s návrhem rozvržení, poté s přípravou a namnožením upravených kmenů a nakonec s jejich nanesením na agar. Protokol popisuje růst kmenů na selektivním agaru a jejich přípravu k tisku v destičce s více jamkami.

Výsledné zapojení určovalo, jaký kmen se nachází na konkrétním místě a které kolonie spolu sousedí. Přestavba obvodu proto znamenala změnu prostorového vzoru, nikoli přepsání genetického kódu. Stejných pět kmenů bylo možné použít v různých uspořádáních pro různé výpočty.

Co živé obvody dokázaly

Výzkumníci architekturu testovali na stále složitějších operacích, mimo jiné na:

• logice OR, při níž může výstup vyvolat kterýkoli z několika vstupů;
• implikačních operacích, které kombinují vstupy podle podmíněného logického vztahu;
• demultiplexoru 1 na 4, který podle řídicích signálů směruje jeden vstup k jednomu ze čtyř výstupů;
• aritmetických obvodech, včetně poloviční a úplné sčítačky.

Ukázka úplné sčítačky využívala 24 vytištěných kolonií. Výsledek ukázal, že výpočet lze rozdělit mezi spolupracující populaci bakterií, místo aby byl celý genetický program soustředěn v jediné přetížené buňce.

Osm hodin je pro čip věčnost, pro biologii nikoli

Jeden výpočet trval přibližně osm hodin. Ve srovnání s křemíkovou elektronikou jde o mimořádně pomalý proces — běžné elektronické obvody pracují v časových měřítcích o mnoho řádů kratších. Bakteriální obvody proto nemají nahradit procesory ani provádět klasické digitální výpočty.

Jejich výhoda spočívá jinde: mohou lokálně vnímat biologické či chemické podmínky a reagovat na ně bez klasického elektronického systému. Sucho, napadení škůdci nebo rozvoj choroby u rostlin probíhají v řádu hodin až dnů. Osmihodinová reakce tak může být pro biologickou regulaci přijatelná.

Jde tedy o výměnu rychlosti za přímé propojení s živým prostředím. Obvod může teoreticky rozpoznat kombinaci signálů přímo tam, kde je potřeba, a následně spustit biologickou odpověď.

Možné využití na kořenech a listech

Výzkumníci jako jednu z možností zmiňují prostředí spojená s rostlinami. Obvod umístěný na kořeni nebo listu by mohl kombinovat signály související se suchem, hmyzem či patogeny a reagovat pouze tehdy, když se objeví správná kombinace podmínek.

Budoucí systém by například mohl spustit tvorbu fungicidní látky nebo jiného výstupu chránícího rostlinu. Takové využití zatím představuje směr dalšího výzkumu, nikoli hotový zemědělský produkt. Ukazuje však, proč může mít chemické počítání smysl i tehdy, když je ve srovnání s elektronikou velmi pomalé.

Nová vrstva programování v syntetické biologii

Tradiční návrh genetických obvodů často řeší, kolik funkcí lze vměstnat do jediné buňky. Přístup MIT pokládá jinou otázku: které funkce je lepší rozdělit mezi různé buněčné populace a jak je následně uspořádat?

Genetické úpravy určují, co jednotlivé kmeny umějí. Tisk a rozmístění kolonií pak určují, jak jsou tyto schopnosti propojené. Výsledkem je přestavitelná biologická platforma, která může využívat malou knihovnu specializovaných součástí namísto vytváření zcela nového kmene pro každý logický obvod.

Výzkum byl částečně financován americkou Agenturou pro pokročilé obranné výzkumné projekty (DARPA) a americkou Aktivitu pro pokročilé zpravodajské výzkumné projekty (IARPA).