Bagaimana MIT Membina Litar Boleh Diubah Suai Menggunakan Bakteria

Penyelidik Massachusetts Institute of Technology (MIT) telah mengubah suai bakteria Pantoea agglomerans supaya berfungsi sebagai komponen asas papan litar biologi. Namun, litar ini tidak menggerakkan elektron seperti peranti elektronik biasa. Sebaliknya, koloni bakteria mengesan, menghasilkan dan menghantar isyarat kimia yang meresap melalui medium pertumbuhan, lalu membolehkan sel hidup melaksanakan operasi logik dan aritmetik.

Inovasi utamanya terletak pada keboleh ubahan litar. Strain bakteria yang sama boleh digunakan semula dalam susunan fizikal yang berbeza untuk menghasilkan pengiraan berlainan—tanpa perlu mereka bentuk program genetik baharu bagi setiap fungsi.

Bakteria bertindak seperti transistor dan wayar

Pasukan MIT menghasilkan dua strain bakteria yang menyerupai transistor dan dikawal oleh molekul kecil. Satu strain diaktifkan oleh molekul input OC-6, manakala satu lagi ditekan oleh molekul tersebut. Kedua-duanya turut bertindak balas terhadap OC-12 dan boleh menghasilkan isyarat kimia OHC-14 apabila syarat dalaman tertentu dipenuhi.

Tiga strain geganti tambahan memproses OHC-14 dan menukarkannya kepada isyarat kimia yang boleh dikenali oleh koloni transistor di bahagian seterusnya. Dalam litar elektronik, wayar membawa isyarat antara komponen. Dalam sistem ini, koloni geganti menjalankan fungsi yang sama dengan menghantar mesej molekul melalui medium pertumbuhan.

Reka bentuk modular ini membantu mengatasi masalah apabila terlalu banyak fungsi genetik dimasukkan ke dalam satu sel. Setiap fungsi kawal selia memerlukan jentera molekul tersendiri, manakala terlalu banyak fungsi boleh menyebabkan gangguan antara faktor transkripsi dan membebankan sel dengan penghasilan protein. Dengan mengkhususkan setiap koloni, setiap strain hanya perlu menjalankan tugas setempatnya.

Susunan koloni menjadi sebahagian daripada “program”

Para penyelidik mencetak koloni bakteria sebagai titik-titik di atas agar, dengan jarak kira-kira 5 milimeter antara koloni yang bersebelahan. Susunan ini membantu mengarahkan komunikasi kimia dari satu koloni ke koloni seterusnya. Oleh itu, kedudukan dan identiti setiap koloni menentukan cara maklumat bergerak melalui litar.

Proses tersebut bermula dengan reka bentuk susun atur, diikuti pembiakan strain yang telah diubah suai sebelum ia diletakkan di atas agar. Protokol eksperimen menerangkan cara strain ditumbuhkan pada agar terpilih dan disediakan untuk pencetakan dalam format berbilang telaga.

Untuk mengubah litar, penyelidik hanya perlu mengubah corak ruang—strain yang dicetak pada setiap kedudukan serta koloni yang diletakkan bersebelahan. DNA asas tidak perlu ditulis semula bagi setiap reka bentuk baharu. Ini memindahkan sebahagian tugas pengaturcaraan daripada kejuruteraan genetik kepada pemasangan fizikal.

Operasi logik dan aritmetik yang berjaya ditunjukkan

Seni bina ini diuji melalui beberapa operasi yang semakin kompleks, termasuk:

• Logik OR, apabila mana-mana satu daripada beberapa input boleh menghasilkan output.
• Operasi berbentuk implikasi, yang menggabungkan input berdasarkan hubungan logik bersyarat.
• Demultiplexer 1-ke-4, yang mengarahkan satu input kepada salah satu daripada empat output mengikut isyarat kawalan.
• Litar aritmetik, termasuk susunan penambah separuh dan penambah penuh.

Demonstrasi penambah penuh menggunakan 24 koloni yang dicetak. Keputusan ini menunjukkan bahawa pengiraan boleh diagihkan kepada populasi bakteria yang bekerjasama, bukannya dipaksa berjalan dalam satu sel yang sarat dengan terlalu banyak fungsi genetik.

Lapan jam terlalu perlahan untuk komputer—tetapi sesuai untuk biologi

Satu pengiraan mengambil kira-kira lapan jam. Tempoh ini amat perlahan berbanding litar silikon, yang menjalankan operasi elektronik pada skala masa jauh lebih singkat. Oleh itu, litar bakteria ini bukan direka untuk menggantikan pemproses atau menjalankan pengkomputeran digital konvensional.

Kelebihannya terletak di tempat lain: sistem ini boleh mengesan keadaan biologi atau kimia secara setempat dan bertindak balas tanpa bergantung pada sistem elektronik biasa. Tekanan kemarau pada tumbuhan, serangan perosak dan perkembangan penyakit biasanya berlaku dalam tempoh beberapa jam atau hari. Maka, tindak balas selepas lapan jam masih berpotensi berguna untuk aplikasi kawalan biologi.

Ringkasnya, sistem ini menukar kelajuan kepada keupayaan untuk berintegrasi secara langsung dengan persekitaran hidup. Secara prinsip, litar hidup boleh mengesan gabungan isyarat di lokasi yang memerlukan tindak balas, kemudian mengaktifkan output biologi.

Potensi pada akar dan daun tumbuhan

Para penyelidik melihat persekitaran berkaitan tumbuhan sebagai salah satu kemungkinan penggunaan. Litar yang diletakkan pada akar atau daun boleh menggabungkan isyarat berkaitan kemarau, serangan serangga atau patogen, kemudian bertindak hanya apabila corak isyarat yang betul dikesan.

Pada masa hadapan, sistem sedemikian mungkin mencetuskan penghasilan sebatian bersifat fungisid atau output lain yang membantu melindungi tumbuhan. Kegunaan ini masih merupakan hala tuju penyelidikan, bukannya produk pertanian yang telah terbukti, tetapi ia menunjukkan mengapa pengiraan kimia boleh bernilai walaupun jauh lebih perlahan daripada elektronik.

Pendekatan baharu dalam biologi sintetik

Reka bentuk litar genetik tradisional sering bertanya berapa banyak fungsi yang boleh dimuatkan ke dalam satu sel. Pendekatan MIT mengemukakan soalan yang berbeza: fungsi manakah yang patut dipisahkan kepada populasi sel berlainan, dan bagaimana populasi itu perlu disusun?

Pemisahan ini boleh mengurangkan beban pada setiap sel, selain menjadikan susunan fizikal sebagai satu lagi lapisan pengaturcaraan. Kejuruteraan genetik menentukan perkara yang boleh dilakukan oleh setiap strain, manakala pencetakan menentukan cara keupayaan tersebut disambungkan.

Hasilnya ialah platform biologi yang boleh dikonfigurasi semula menggunakan perpustakaan kecil komponen khusus, tanpa perlu menghasilkan strain baharu sepenuhnya untuk setiap reka bentuk logik.

Penyelidikan ini menerima sebahagian pembiayaan daripada Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) dan Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), kedua-duanya merupakan agensi penyelidikan kerajaan Amerika Syarikat.