Sådan byggede MIT omprogrammerbare kredsløb af genmodificerede bakterier

Kolonierne blev trykt som små prikker på agar med cirka 5 millimeters afstand mellem nabokolonierne. Afstanden hjalp med at styre den kemiske kommunikation fra én koloni til den næste. Derfor bestemte både koloniernes placering og deres identitet, hvordan informationen bevægede sig gennem kredsløbet.

Forskerne begyndte med et planlagt tryklayout. Derefter dyrkede og forberedte de de genmodificerede stammer, før de blev afsat på agaren. Den eksperimentelle protokol beskriver blandt andet dyrkning på selektiv agar og forberedelse til trykning i et format med flere brønde.

At omkonfigurere et kredsløb betød dermed at ændre det fysiske mønster: hvilken stamme der blev trykt på hver position, og hvilke kolonier der blev placeret ved siden af hinanden. Det underliggende DNA behøvede ikke at blive skrevet om for hver ny kredsløbstype. En del af programmeringen blev på den måde flyttet fra genetisk konstruktion til fysisk samling.

Fra OR-logik til en aritmetisk kreds med 24 kolonier

Forskerne afprøvede arkitekturen med stadig mere komplekse operationer, blandt andet:

• OR-logik, hvor et output kan udløses af et hvilket som helst af flere input.
• Implikationsoperationer, der kombinerer input efter et betinget logisk forhold.
• En 1-til-4-demultiplekser, som sender ét input videre til ét af fire outputs afhængigt af kontrolsignaler.
• Aritmetiske kredsløb, herunder opstillinger svarende til en halv adder og en fuld adder.

Demonstrationen med den fulde adder brugte 24 trykte kolonier. Resultatet viste, hvordan beregninger kan fordeles på en samarbejdende population i stedet for at blive presset ind i én genetisk overbelastet celle.

Otte timer er langsomt for en computer – men ikke nødvendigvis for biologi

En beregning tog omkring otte timer. Det er ekstremt langsomt sammenlignet med siliciumbaseret elektronik, hvor logiske operationer foregår på tidsskalaer, der er mange størrelsesordener kortere. Bakteriekredsløbene er derfor ikke tænkt som afløsere for processorer eller som almindelige digitale computere.

Deres mulige fordel ligger et andet sted: De kan registrere biologiske eller kemiske forhold lokalt og reagere uden at være afhængige af et konventionelt elektronisk system. Tørkestress hos planter, angreb fra skadedyr og udvikling af sygdomme forløber typisk over timer eller dage. Derfor kan en reaktionstid på omkring otte timer være relevant i biologiske kontrolsystemer.

Bytteforholdet er altså hastighed mod biologisk integration. Et levende kredsløb vil i princippet kunne registrere en kombination af signaler dér, hvor reaktionen skal finde sted, og derefter aktivere et biologisk output.

Mulige anvendelser på planters rødder og blade

Forskerne peger på miljøer tæt knyttet til planter som en mulig fremtidig anvendelse. Et kredsløb på en rod eller et blad kunne kombinere signaler forbundet med tørke, insektangreb eller patogener og først reagere, når den rigtige kombination blev registreret.

Et fremtidigt system kunne eksempelvis udløse produktionen af et svampedræbende stof eller en anden plantebeskyttende reaktion. Det er fortsat et forskningsspor og ikke et dokumenteret landbrugsprodukt, men eksemplet viser, hvorfor kemisk beregning kan være nyttig, selv når den er langt langsommere end elektronik.

En ny måde at tænke syntetisk biologi på

Traditionelt spørger man ofte, hvor mange funktioner der kan pakkes ind i én celle. MIT-arkitekturen stiller et andet spørgsmål: Hvilke funktioner bør fordeles på forskellige cellepopulationer, og hvordan skal populationerne placeres?

Denne adskillelse kan mindske belastningen på den enkelte celle, samtidig med at den fysiske opbygning bliver et ekstra programmeringslag. Den genetiske konstruktion bestemmer, hvad hver stamme kan, mens tryklayoutet bestemmer, hvordan funktionerne forbindes. Resultatet er en omkonfigurerbar biologisk platform, der kan bygges ud fra et mindre bibliotek af specialiserede dele i stedet for en helt ny stamme til hvert logisk design.

Forskningen blev delvist finansieret af den amerikanske Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) og Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA).