Tutkijat loivat kaksi transistorin kaltaista bakteerikantaa, joita ohjataan pienimolekyylisillä kemiallisilla signaaleilla. Toinen aktivoituu OC-6-molekyylin vaikutuksesta, kun taas toinen vaimenee sen läsnä ollessa. Molemmat reagoivat myös OC-12-signaaliin ja voivat tuottaa OHC-14-kemikaalia, kun niiden sisäiset ehdot täyttyvät.

Kolme muuta bakteerikantaa toimii välittäjinä. Ne käsittelevät OHC-14-signaalia ja muuttavat sen kemiallisiksi viesteiksi, jotka seuraavat transistoripesäkkeet tunnistavat. Elektronisessa piirissä johdot kuljettavat signaaleja komponenttien välillä; tässä tehtävässä toimivat viestinvälittäjinä pesäkkeet, jotka siirtävät molekyyliviestejä kasvualustan läpi.

Rakenne kiertää yhden solun geneettisten piirien tunnetun ongelman. Jokainen uusi säätelytoiminto vaatii solulta lisää molekyylikoneistoa. Kun samaan soluun pakataan liikaa toimintoja, säätelytekijät voivat häiritä toistensa toimintaa ja proteiinien tuotanto kuormittaa solua voimakkaasti. Kun tehtävät jaetaan useille erikoistuneille pesäkkeille, kukin bakteerikanta voi keskittyä omaan paikalliseen rooliinsa.

Piirin ohjelma syntyy asettelusta

Bakteeripesäkkeet painettiin agarpinnalle pisteiksi noin viiden millimetrin välein. Etäisyys auttoi ohjaamaan kemiallista viestintää pesäkkeeltä sen lähinaapureille. Siksi sekä pesäkkeen sijainti että sen bakteerikanta vaikuttivat siihen, miten tieto kulki piirissä.

Kokeellinen työ alkoi suunnitellun painoasettelun laatimisella. Tämän jälkeen muokattuja kantoja kasvatettiin ja valmisteltiin painamista varten ennen niiden siirtämistä agarille. Tutkimuksen täydentävässä menetelmäkuvauksessa kantoja kasvatetaan selektiivisellä agarilla ja valmistellaan monikuoppalevyssä painamista varten.

Piirin uudelleenohjelmointi tarkoitti käytännössä spatiaalisen kuvion vaihtamista: mikä bakteerikanta painetaan kuhunkin kohtaan ja mitkä pesäkkeet sijoitetaan vierekkäin. DNA:ta ei tarvinnut kirjoittaa uudelleen jokaista uutta piiriversiota varten. Osa ohjelmoinnista siirtyi siten geenitekniikasta fyysiseen kokoonpanoon.

OR-logiikasta laskutoimituksiin

Tutkijat testasivat arkkitehtuuria asteittain monimutkaisemmilla piireillä. Esimerkkeihin kuuluivat:

• OR-logiikka, jossa yhden useasta syötteestä riittää käynnistämään lähdön.
• Implikaatiotyyppiset operaatiot, joissa syötteet yhdistetään ehdollisen loogisen suhteen mukaisesti.
• 1:4-demultiplekseri, joka ohjaa yhden syötteen yhteen neljästä lähdöstä ohjaussignaalien perusteella.
• Aritmeettiset piirit, kuten puoliadderi ja täysadderi.

Täysadderin kokeessa käytettiin 24 painettua bakteeripesäkettä. Tulos osoitti, että laskenta voidaan jakaa yhteistyötä tekevien solupopulaatioiden kesken sen sijaan, että kaikki toiminnot yritettäisiin sijoittaa yhteen geneettisesti ylikuormitettuun soluun.

Kahdeksan tuntia on tietokoneelle hidasta – biologialle ei välttämättä

Yhden laskutoimituksen suorittaminen kesti noin kahdeksan tuntia. Piipohjaiseen logiikkaan verrattuna vauhti on erittäin hidas: tavalliset elektroniset piirit käsittelevät operaatiot elektronisilla aikaskaaloilla, jotka ovat monia kertaluokkia lyhyempiä. Bakteeripiirejä ei olekaan tarkoitettu prosessorien korvaajiksi tai tavanomaiseen digitaaliseen laskentaan.

Niiden mahdollinen etu on muualla. Ne voivat aistia biologisia tai kemiallisia olosuhteita paikallisesti ja reagoida ilman perinteistä elektroniikkaa. Kasvin kuivuusstressi, tuholaisten aiheuttamat vauriot ja taudin kehittyminen tapahtuvat tuntien tai päivien aikana, joten kahdeksan tunnin vaste voisi olla biologisissa sovelluksissa käyttökelpoinen.

Vaihtokauppa on siis nopeuden sijaan biologinen yhteensopivuus. Elävä piiri voisi periaatteessa tunnistaa useiden signaalien yhdistelmän suoraan siellä, missä reaktiota tarvitaan, ja käynnistää sen jälkeen biologisen vasteen.

Kasvien juurille tai lehdille?

Tutkijat näkevät kasveihin liittyvät ympäristöt yhtenä mahdollisena käyttökohteena. Juurille tai lehdille sijoitettu piiri voisi yhdistää kuivuuteen, hyönteisiin tai taudinaiheuttajiin liittyviä signaaleja ja reagoida vain silloin, kun havaittu yhdistelmä vastaa ennalta määriteltyä tilannetta.

Tulevaisuuden järjestelmä voisi esimerkiksi käynnistää sienitautia torjuvan yhdisteen tai muun kasvia suojaavan aineen tuotannon. Kyse on vielä tutkimussuunnasta, ei esitellystä maataloustuotteesta. Esimerkki kuitenkin havainnollistaa, miksi kemiallinen laskenta voi olla hyödyllistä, vaikka se on elektroniikkaan verrattuna hidasta.

Synteettisen biologian ohjelmointi saa uuden tason

Perinteisessä geneettisten piirien suunnittelussa kysytään usein, kuinka monta toimintoa yhteen soluun voidaan pakata. MIT:n lähestymistapa kääntää kysymyksen toisin päin: mitkä tehtävät kannattaa erottaa eri solupopulaatioihin ja miten nämä populaatiot pitäisi asetella?

Geenitekniikka määrittelee, mitä kukin bakteerikanta osaa tehdä. Painettu asettelu puolestaan määrää, miten nämä kyvyt kytkeytyvät toisiinsa. Tuloksena on uudelleen muokattava biologinen alusta, jossa pieni joukko erikoistuneita osia voidaan yhdistää monenlaisiksi piireiksi ilman täysin uuden bakteerikannan rakentamista jokaista logiikkamallia varten.

Tutkimusta rahoittivat osittain Yhdysvaltain puolustusministeriön tutkimusorganisaatio DARPA sekä tiedustelualan tutkimusorganisaatio IARPA.

Tutkijat loivat kaksi transistorin kaltaista bakteerikantaa, joita ohjataan pienimolekyylisillä kemiallisilla signaaleilla. Toinen aktivoituu OC-6-molekyylin vaikutuksesta, kun taas toinen vaimenee sen läsnä ollessa. Molemmat reagoivat myös OC-12-signaaliin ja voivat tuottaa OHC-14-kemikaalia, kun niiden sisäiset ehdot täyttyvät.

Kolme muuta bakteerikantaa toimii välittäjinä. Ne käsittelevät OHC-14-signaalia ja muuttavat sen kemiallisiksi viesteiksi, jotka seuraavat transistoripesäkkeet tunnistavat. Elektronisessa piirissä johdot kuljettavat signaaleja komponenttien välillä; tässä tehtävässä toimivat viestinvälittäjinä pesäkkeet, jotka siirtävät molekyyliviestejä kasvualustan läpi.

Rakenne kiertää yhden solun geneettisten piirien tunnetun ongelman. Jokainen uusi säätelytoiminto vaatii solulta lisää molekyylikoneistoa. Kun samaan soluun pakataan liikaa toimintoja, säätelytekijät voivat häiritä toistensa toimintaa ja proteiinien tuotanto kuormittaa solua voimakkaasti. Kun tehtävät jaetaan useille erikoistuneille pesäkkeille, kukin bakteerikanta voi keskittyä omaan paikalliseen rooliinsa.

Piirin ohjelma syntyy asettelusta

Bakteeripesäkkeet painettiin agarpinnalle pisteiksi noin viiden millimetrin välein. Etäisyys auttoi ohjaamaan kemiallista viestintää pesäkkeeltä sen lähinaapureille. Siksi sekä pesäkkeen sijainti että sen bakteerikanta vaikuttivat siihen, miten tieto kulki piirissä.

Kokeellinen työ alkoi suunnitellun painoasettelun laatimisella. Tämän jälkeen muokattuja kantoja kasvatettiin ja valmisteltiin painamista varten ennen niiden siirtämistä agarille. Tutkimuksen täydentävässä menetelmäkuvauksessa kantoja kasvatetaan selektiivisellä agarilla ja valmistellaan monikuoppalevyssä painamista varten.

Piirin uudelleenohjelmointi tarkoitti käytännössä spatiaalisen kuvion vaihtamista: mikä bakteerikanta painetaan kuhunkin kohtaan ja mitkä pesäkkeet sijoitetaan vierekkäin. DNA:ta ei tarvinnut kirjoittaa uudelleen jokaista uutta piiriversiota varten. Osa ohjelmoinnista siirtyi siten geenitekniikasta fyysiseen kokoonpanoon.

OR-logiikasta laskutoimituksiin

Tutkijat testasivat arkkitehtuuria asteittain monimutkaisemmilla piireillä. Esimerkkeihin kuuluivat:

• OR-logiikka, jossa yhden useasta syötteestä riittää käynnistämään lähdön.
• Implikaatiotyyppiset operaatiot, joissa syötteet yhdistetään ehdollisen loogisen suhteen mukaisesti.
• 1:4-demultiplekseri, joka ohjaa yhden syötteen yhteen neljästä lähdöstä ohjaussignaalien perusteella.
• Aritmeettiset piirit, kuten puoliadderi ja täysadderi.

Täysadderin kokeessa käytettiin 24 painettua bakteeripesäkettä. Tulos osoitti, että laskenta voidaan jakaa yhteistyötä tekevien solupopulaatioiden kesken sen sijaan, että kaikki toiminnot yritettäisiin sijoittaa yhteen geneettisesti ylikuormitettuun soluun.

Kahdeksan tuntia on tietokoneelle hidasta – biologialle ei välttämättä

Yhden laskutoimituksen suorittaminen kesti noin kahdeksan tuntia. Piipohjaiseen logiikkaan verrattuna vauhti on erittäin hidas: tavalliset elektroniset piirit käsittelevät operaatiot elektronisilla aikaskaaloilla, jotka ovat monia kertaluokkia lyhyempiä. Bakteeripiirejä ei olekaan tarkoitettu prosessorien korvaajiksi tai tavanomaiseen digitaaliseen laskentaan.

Niiden mahdollinen etu on muualla. Ne voivat aistia biologisia tai kemiallisia olosuhteita paikallisesti ja reagoida ilman perinteistä elektroniikkaa. Kasvin kuivuusstressi, tuholaisten aiheuttamat vauriot ja taudin kehittyminen tapahtuvat tuntien tai päivien aikana, joten kahdeksan tunnin vaste voisi olla biologisissa sovelluksissa käyttökelpoinen.

Vaihtokauppa on siis nopeuden sijaan biologinen yhteensopivuus. Elävä piiri voisi periaatteessa tunnistaa useiden signaalien yhdistelmän suoraan siellä, missä reaktiota tarvitaan, ja käynnistää sen jälkeen biologisen vasteen.

Kasvien juurille tai lehdille?

Tutkijat näkevät kasveihin liittyvät ympäristöt yhtenä mahdollisena käyttökohteena. Juurille tai lehdille sijoitettu piiri voisi yhdistää kuivuuteen, hyönteisiin tai taudinaiheuttajiin liittyviä signaaleja ja reagoida vain silloin, kun havaittu yhdistelmä vastaa ennalta määriteltyä tilannetta.

Tulevaisuuden järjestelmä voisi esimerkiksi käynnistää sienitautia torjuvan yhdisteen tai muun kasvia suojaavan aineen tuotannon. Kyse on vielä tutkimussuunnasta, ei esitellystä maataloustuotteesta. Esimerkki kuitenkin havainnollistaa, miksi kemiallinen laskenta voi olla hyödyllistä, vaikka se on elektroniikkaan verrattuna hidasta.

Synteettisen biologian ohjelmointi saa uuden tason

Perinteisessä geneettisten piirien suunnittelussa kysytään usein, kuinka monta toimintoa yhteen soluun voidaan pakata. MIT:n lähestymistapa kääntää kysymyksen toisin päin: mitkä tehtävät kannattaa erottaa eri solupopulaatioihin ja miten nämä populaatiot pitäisi asetella?

Geenitekniikka määrittelee, mitä kukin bakteerikanta osaa tehdä. Painettu asettelu puolestaan määrää, miten nämä kyvyt kytkeytyvät toisiinsa. Tuloksena on uudelleen muokattava biologinen alusta, jossa pieni joukko erikoistuneita osia voidaan yhdistää monenlaisiksi piireiksi ilman täysin uuden bakteerikannan rakentamista jokaista logiikkamallia varten.

Tutkimusta rahoittivat osittain Yhdysvaltain puolustusministeriön tutkimusorganisaatio DARPA sekä tiedustelualan tutkimusorganisaatio IARPA.