שלושה זני ממסר נוספים קולטים את OHC-14 וממירים אותו לאותות כימיים שמושבות טרנזיסטור בהמשך המעגל מסוגלות לזהות. במעגל אלקטרוני, חוטים מחברים בין הרכיבים ומעבירים את האות. כאן, מושבות הממסר ממלאות את תפקיד החיווט באמצעות העברת מסרים מולקולריים דרך מצע הגידול.

החלוקה הזו פותרת בעיה מוכרת במעגלים גנטיים המוכנסים לתא יחיד. כל פונקציה רגולטורית נוספת דורשת מנגנון מולקולרי משלה, ושילוב של פונקציות רבות עלול לגרום להפרעות בין גורמי השעתוק ולהטיל על התא עומס כבד של ייצור חלבונים. כאשר כל מושבה מתמחה במשימה מקומית, אין צורך להעמיס את כל המערכת על תא אחד.

מיקום המושבות הפך לחלק מהתוכנית

החוקרים הדפיסו את מושבות החיידקים כנקודות על גבי אגר — מצע גידול מוצק — במרחק של כ-5 מילימטרים זו מזו. המרווח אפשר לאותות הכימיים לעבור ממושבה אחת לשכנתה, ולכן המיקום והזהות של כל מושבה קבעו כיצד המידע יזרום במעגל.

תהליך העבודה כלל תכנון של פריסת ההדפסה, גידול והכנה של הזנים המהונדסים, ולאחר מכן הפקדה שלהם על מצע האגר. בפרוטוקול הניסוי מתואר גידול הזנים על מצע סלקטיבי והכנתם להדפסה בפורמט של באריות מרובות.

מכאן נובעת אפשרות ההגדרה מחדש: כדי לשנות את המעגל, משנים את התבנית המרחבית — איזה זן מודפס בכל נקודה ואילו מושבות מוצבות זו לצד זו. ה-DNA של החיידקים אינו חייב להשתנות בכל פעם. חלק מהתכנות עובר, למעשה, מהנדסה גנטית להרכבה פיזית.

אילו חישובים הודגמו?

החוקרים בדקו את המבנה באמצעות פעולות שהלכו ונעשו מורכבות יותר, ובהן:

• לוגיקת OR — מצב שבו כל אחד מכמה קלטים יכול להפיק פלט.
• פעולות מסוג אימפליקציה — שילוב קלטים לפי קשר לוגי מותנה.
• דמולטיפלקסר של 1 ל-4 — מערכת שמנתבת קלט יחיד לאחד מארבעה פלטים בהתאם לאותות בקרה.
• מעגלים אריתמטיים — כולל חצי-מחבר ומחבר מלא.

הדגמת המחבר המלא השתמשה ב-24 מושבות מודפסות. התוצאה הראתה שחישוב יכול להתחלק בין אוכלוסיות חיידקים משתפות פעולה, במקום להתרכז בתא יחיד שעומס גנטי ומולקולרי רב מוטל עליו.

שמונה שעות לחישוב: איטי למחשב, אפשרי לביולוגיה

חישוב במעגלים החיידקיים ארך בערך שמונה שעות. עבור מחשבי סיליקון מדובר בקצב איטי במיוחד: מעגלים אלקטרוניים מבצעים פעולות לוגיות בפרקי זמן קצרים בהרבה, בסדרי גודל רבים. לכן המערכת אינה מיועדת להחליף מעבדים או לבצע מחשוב דיגיטלי רגיל.

היתרון האפשרי שלה נמצא במקום אחר. המעגל יכול לזהות תנאים ביולוגיים או כימיים בסביבה המקומית ולהגיב להם בלי להסתמך בהכרח על מערכת אלקטרונית קונבנציונלית. תהליכים כמו עקת יובש בצמח, פגיעה של מזיקים או התפתחות מחלה מתרחשים לאורך שעות או ימים — ולכן תגובה בתוך כשמונה שעות עשויה להיות רלוונטית ליישומים של בקרה ביולוגית.

במילים אחרות, המערכת מוותרת על מהירות תמורת שילוב ישיר בסביבה החיה: זיהוי מקומי של שילוב אותות והפעלת תגובה ביולוגית במקום שבו היא נדרשת.

שימושים אפשריים בשורשים ובעלים

אחד הכיוונים שהחוקרים מציינים הוא הצבת מעגלים כאלה בסביבות הקשורות לצמחים, למשל על שורש או עלה. מערכת עתידית תוכל לשלב אותות המעידים על בצורת, התקפת חרקים או נוכחות פתוגנים, ולהגיב רק כאשר מתקיים דפוס האותות המתאים.

תגובה אפשרית, למשל, יכולה להיות הפעלה של ייצור תרכובת קוטלת פטריות או פלט אחר שמגן על הצמח. חשוב להדגיש שמדובר בכיוון מחקרי ולא במוצר חקלאי שהודגם בשטח. עם זאת, הדוגמה ממחישה מדוע חישוב כימי עשוי להיות שימושי גם כשהוא איטי בהרבה מאלקטרוניקה.

שינוי בגישה להנדסה ביולוגית

בתכנון מסורתי של מעגלים גנטיים נשאלת לעיתים השאלה כמה פונקציות אפשר לדחוס לתוך תא אחד. הארכיטקטורה של MIT מציעה שאלה אחרת: אילו פונקציות כדאי להפריד בין אוכלוסיות תאים שונות, וכיצד יש לסדר את האוכלוסיות כדי לחבר ביניהן?

בהפרדה הזו, ההנדסה הגנטית קובעת מה כל זן מסוגל לעשות, ואילו ההדפסה קובעת כיצד היכולות הללו מתחברות. התוצאה היא פלטפורמה ביולוגית הניתנת להגדרה מחדש, המבוססת על ספרייה קטנה של רכיבים ייעודיים — במקום ליצור זן חדש לחלוטין עבור כל תכנון לוגי.

המחקר מומן, בין היתר, על ידי הסוכנות האמריקאית למחקרי ביטחון מתקדמים (DARPA) ועל ידי פעילות המחקר והפיתוח המודיעינית המתקדמת של ארצות הברית (IARPA).

שלושה זני ממסר נוספים קולטים את OHC-14 וממירים אותו לאותות כימיים שמושבות טרנזיסטור בהמשך המעגל מסוגלות לזהות. במעגל אלקטרוני, חוטים מחברים בין הרכיבים ומעבירים את האות. כאן, מושבות הממסר ממלאות את תפקיד החיווט באמצעות העברת מסרים מולקולריים דרך מצע הגידול.

החלוקה הזו פותרת בעיה מוכרת במעגלים גנטיים המוכנסים לתא יחיד. כל פונקציה רגולטורית נוספת דורשת מנגנון מולקולרי משלה, ושילוב של פונקציות רבות עלול לגרום להפרעות בין גורמי השעתוק ולהטיל על התא עומס כבד של ייצור חלבונים. כאשר כל מושבה מתמחה במשימה מקומית, אין צורך להעמיס את כל המערכת על תא אחד.

מיקום המושבות הפך לחלק מהתוכנית

החוקרים הדפיסו את מושבות החיידקים כנקודות על גבי אגר — מצע גידול מוצק — במרחק של כ-5 מילימטרים זו מזו. המרווח אפשר לאותות הכימיים לעבור ממושבה אחת לשכנתה, ולכן המיקום והזהות של כל מושבה קבעו כיצד המידע יזרום במעגל.

תהליך העבודה כלל תכנון של פריסת ההדפסה, גידול והכנה של הזנים המהונדסים, ולאחר מכן הפקדה שלהם על מצע האגר. בפרוטוקול הניסוי מתואר גידול הזנים על מצע סלקטיבי והכנתם להדפסה בפורמט של באריות מרובות.

מכאן נובעת אפשרות ההגדרה מחדש: כדי לשנות את המעגל, משנים את התבנית המרחבית — איזה זן מודפס בכל נקודה ואילו מושבות מוצבות זו לצד זו. ה-DNA של החיידקים אינו חייב להשתנות בכל פעם. חלק מהתכנות עובר, למעשה, מהנדסה גנטית להרכבה פיזית.

אילו חישובים הודגמו?

החוקרים בדקו את המבנה באמצעות פעולות שהלכו ונעשו מורכבות יותר, ובהן:

• לוגיקת OR — מצב שבו כל אחד מכמה קלטים יכול להפיק פלט.
• פעולות מסוג אימפליקציה — שילוב קלטים לפי קשר לוגי מותנה.
• דמולטיפלקסר של 1 ל-4 — מערכת שמנתבת קלט יחיד לאחד מארבעה פלטים בהתאם לאותות בקרה.
• מעגלים אריתמטיים — כולל חצי-מחבר ומחבר מלא.

הדגמת המחבר המלא השתמשה ב-24 מושבות מודפסות. התוצאה הראתה שחישוב יכול להתחלק בין אוכלוסיות חיידקים משתפות פעולה, במקום להתרכז בתא יחיד שעומס גנטי ומולקולרי רב מוטל עליו.

שמונה שעות לחישוב: איטי למחשב, אפשרי לביולוגיה

חישוב במעגלים החיידקיים ארך בערך שמונה שעות. עבור מחשבי סיליקון מדובר בקצב איטי במיוחד: מעגלים אלקטרוניים מבצעים פעולות לוגיות בפרקי זמן קצרים בהרבה, בסדרי גודל רבים. לכן המערכת אינה מיועדת להחליף מעבדים או לבצע מחשוב דיגיטלי רגיל.

היתרון האפשרי שלה נמצא במקום אחר. המעגל יכול לזהות תנאים ביולוגיים או כימיים בסביבה המקומית ולהגיב להם בלי להסתמך בהכרח על מערכת אלקטרונית קונבנציונלית. תהליכים כמו עקת יובש בצמח, פגיעה של מזיקים או התפתחות מחלה מתרחשים לאורך שעות או ימים — ולכן תגובה בתוך כשמונה שעות עשויה להיות רלוונטית ליישומים של בקרה ביולוגית.

במילים אחרות, המערכת מוותרת על מהירות תמורת שילוב ישיר בסביבה החיה: זיהוי מקומי של שילוב אותות והפעלת תגובה ביולוגית במקום שבו היא נדרשת.

שימושים אפשריים בשורשים ובעלים

אחד הכיוונים שהחוקרים מציינים הוא הצבת מעגלים כאלה בסביבות הקשורות לצמחים, למשל על שורש או עלה. מערכת עתידית תוכל לשלב אותות המעידים על בצורת, התקפת חרקים או נוכחות פתוגנים, ולהגיב רק כאשר מתקיים דפוס האותות המתאים.

תגובה אפשרית, למשל, יכולה להיות הפעלה של ייצור תרכובת קוטלת פטריות או פלט אחר שמגן על הצמח. חשוב להדגיש שמדובר בכיוון מחקרי ולא במוצר חקלאי שהודגם בשטח. עם זאת, הדוגמה ממחישה מדוע חישוב כימי עשוי להיות שימושי גם כשהוא איטי בהרבה מאלקטרוניקה.

שינוי בגישה להנדסה ביולוגית

בתכנון מסורתי של מעגלים גנטיים נשאלת לעיתים השאלה כמה פונקציות אפשר לדחוס לתוך תא אחד. הארכיטקטורה של MIT מציעה שאלה אחרת: אילו פונקציות כדאי להפריד בין אוכלוסיות תאים שונות, וכיצד יש לסדר את האוכלוסיות כדי לחבר ביניהן?

בהפרדה הזו, ההנדסה הגנטית קובעת מה כל זן מסוגל לעשות, ואילו ההדפסה קובעת כיצד היכולות הללו מתחברות. התוצאה היא פלטפורמה ביולוגית הניתנת להגדרה מחדש, המבוססת על ספרייה קטנה של רכיבים ייעודיים — במקום ליצור זן חדש לחלוטין עבור כל תכנון לוגי.

המחקר מומן, בין היתר, על ידי הסוכנות האמריקאית למחקרי ביטחון מתקדמים (DARPA) ועל ידי פעילות המחקר והפיתוח המודיעינית המתקדמת של ארצות הברית (IARPA).