MIT bygger omprogrammerbare kretskort av levende bakterier

Bakteriekoloniene ble trykt som små punkter på agar, med omtrent fem millimeters avstand mellom nabokolonier. Plasseringen gjorde det mulig å styre hvordan kjemiske signaler beveget seg fra én koloni til den neste. Dermed bestemte både kolonienes identitet og posisjon hvordan informasjonen fløt gjennom kretsen.

Trykkeprosessen startet med et planlagt oppsett. Deretter ble de genmodifiserte stammene dyrket og klargjort før de ble avsatt på agaren. Forsøksprotokollen beskriver blant annet dyrking på selektiv agar og forberedelse av bakteriene i et format med flere brønner før trykking.

Å omkonfigurere en krets betydde derfor å endre det fysiske mønsteret: hvilken bakteriestamme som ble plassert hvor, og hvilke kolonier som lå ved siden av hverandre. DNA-et i bakteriene måtte ikke skrives om for hver nye krets. En del av programmeringen ble dermed flyttet fra genetisk konstruksjon til fysisk montering.

Logikken forskerne demonstrerte

Forskerne testet systemet med stadig mer avanserte operasjoner, blant annet:

• OR-logikk, der ett av flere inngangssignaler kan utløse et utsignal.
• Implikasjonsoperasjoner, som kombinerer innganger gjennom et betinget logisk forhold.
• En 1-til-4-demultiplekser, som sender ett inngangssignal til én av fire utganger avhengig av kontrollsignalene.
• Aritmetiske kretser, inkludert halvadderere og fulladderere.

Demonstrasjonen med en fulladder besto av 24 trykte kolonier. Det viser hvordan beregninger kan fordeles mellom en samarbeiende bakteriepopulasjon i stedet for å legges inn i én celle med for mange genetiske oppgaver.

Åtte timer er tregt for datamaskiner – men ikke nødvendigvis for biologi

En beregning tok omtrent åtte timer. Det er ekstremt langsomt sammenlignet med silisiumbasert logikk, der operasjoner skjer på tidsskalaer som er mange størrelsesordener kortere. Bakteriekretsene er derfor ikke ment å erstatte prosessorer eller utføre vanlig digital databehandling.

Fordelen ligger et annet sted: Kretsene kan oppdage biologiske eller kjemiske forhold lokalt og reagere uten å være koblet til et konvensjonelt elektronisk system. Prosesser som tørkestress hos planter, skadedyrangrep eller sykdomsutvikling skjer over timer eller dager. I slike sammenhenger kan en reaksjonstid på rundt åtte timer være relevant for biologisk kontroll.

Bytteforholdet er altså lav hastighet mot tett biologisk integrasjon. En levende krets kan i prinsippet oppdage en kombinasjon av signaler direkte der responsen trengs, og deretter sette i gang en biologisk funksjon.

Mulig bruk på planterøtter og blader

Forskerne peker på miljøer knyttet til planter som ett mulig bruksområde. En krets på en rot eller et blad kan kombinere signaler som forbindes med tørke, insektangrep eller sykdom, og reagere bare når riktig mønster blir oppdaget.

Et fremtidig system kan for eksempel utløse produksjon av et soppdrepende stoff eller en annen plantebeskyttende respons. Dette er fortsatt en forskningsretning, ikke et ferdig landbruksprodukt. Men eksempelet viser hvorfor kjemisk databehandling kan være nyttig selv om den er langt tregere enn elektronikk.

En ny måte å tenke syntetisk biologi på

Tradisjonell utvikling av genetiske kretser handler ofte om hvor mange funksjoner som kan pakkes inn i én celle. MITs arkitektur stiller et annet spørsmål: Hvilke funksjoner bør fordeles mellom ulike cellepopulasjoner, og hvordan bør disse populasjonene plasseres?

En slik oppdeling kan redusere belastningen på enkeltceller og gjøre den fysiske utformingen til et ekstra programmeringslag. Genteknologien bestemmer hva hver bakteriestamme kan gjøre, mens trykkingen bestemmer hvordan funksjonene kobles sammen. Resultatet er en omkonfigurerbar biologisk plattform bygget av et lite bibliotek med spesialiserte komponenter, i stedet for en helt ny bakteriestamme for hvert logikkdesign.

Forskningen ble delvis finansiert av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) og Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), to amerikanske offentlige forskningsorganer.