Jak MIT zbudował przeprogramowywalne układy z genetycznie zmodyfikowanych bakterii

Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT) zamienili genetycznie zmodyfikowane bakterie Pantoea agglomerans w elementy biologicznej płytki obwodów. Nie przewodzą one elektronów tak jak klasyczna elektronika. Zamiast tego kolonie wykrywają, wytwarzają i przekazują dyfundujące sygnały chemiczne, dzięki czemu odpowiednio wydrukowany układ żywych komórek może wykonywać operacje logiczne i arytmetyczne.

Najważniejsza innowacja polega na tym, że obwód można zmienić bez przeprogramowywania DNA bakterii. Wystarczy wykorzystać te same szczepy w innym układzie przestrzennym — zmienić położenie kolonii i ich sąsiedztwo.

Bakterie pełniące funkcję tranzystorów i przewodów

Zespół stworzył dwa szczepy bakterii działające podobnie do tranzystorów i sterowane przez małe cząsteczki. Jeden z nich jest aktywowany przez cząsteczkę OC-6, a drugi — hamowany przez ten sam sygnał. Oba reagują również na OC-12 i mogą w określonych warunkach wytwarzać chemiczny sygnał wyjściowy OHC-14.

Trzy dodatkowe szczepy przekaźnikowe przetwarzają OHC-14 i zamieniają go na sygnały rozpoznawane przez kolejne kolonie tranzystorowe. W zwykłym układzie elektronicznym funkcję połączeń pełnią przewody. Tutaj ich odpowiednikiem są kolonie przekaźnikowe, które przekazują molekularne komunikaty przez podłoże wzrostowe.

Takie rozdzielenie funkcji pomaga ominąć problem związany z upychaniem dużego obwodu genetycznego w jednej komórce. Każda dodatkowa funkcja regulacyjna wymaga odpowiedniej aparatury molekularnej, a zbyt wiele elementów może prowadzić do wzajemnych zakłóceń między czynnikami transkrypcyjnymi i nadmiernie obciążać komórkę produkcją białek. Gdy zadania są rozdzielone między różne kolonie, każdy szczep wykonuje tylko swoją lokalną funkcję.

Układ kolonii staje się częścią programu

Badacze drukowali kolonie bakterii w formie kropek na agarze, zachowując między sąsiednimi koloniami odległość około 5 mm. Taki układ pomagał kierować przekazywaniem sygnałów chemicznych z jednej kolonii do następnej. Położenie oraz rodzaj każdej kolonii decydowały więc o tym, jak informacja przepływa przez cały obwód.

Procedura obejmowała najpierw zaprojektowanie układu, następnie namnożenie zmodyfikowanych szczepów, a na końcu naniesienie ich na agar. Opis eksperymentalny przewiduje hodowlę szczepów na selektywnym agarze i przygotowanie ich do drukowania w formacie wielodołkowym.

Przeprogramowanie obwodu oznaczało zatem zmianę wzoru przestrzennego: wybór szczepu drukowanego w danym miejscu oraz określenie, które kolonie znajdą się obok siebie. Nie trzeba było za każdym razem przepisywać kodu genetycznego. Część programowania przeniesiono z inżynierii genetycznej na fizyczny montaż układu.

Jakie operacje udało się wykonać?

Naukowcy przetestowali architekturę na coraz bardziej złożonych układach, w tym:

• logice OR, w której pojawienie się dowolnego z kilku sygnałów może wywołać sygnał wyjściowy;
• operacjach typu implikacji, łączących wejścia w warunkową zależność logiczną;
• demultiplekserze 1:4, który kieruje pojedynczy sygnał do jednego z czterech wyjść zależnie od sygnałów sterujących;
• układach arytmetycznych, w tym półsumatorze i sumatorze pełnym.

Demonstracja sumatora pełnego wykorzystywała 24 wydrukowane kolonie. Pokazała, że obliczenia można rozdzielić między współpracującą populację bakterii, zamiast przeciążać nimi pojedynczą, wielofunkcyjną komórkę.

Osiem godzin to wieczność dla komputera — ale niekoniecznie dla biologii

Wykonanie obliczenia zajmowało około ośmiu godzin. To nieporównywalnie wolniej niż w układach krzemowych, gdzie operacje logiczne zachodzą na elektronicznych skalach czasowych. Z tego powodu bakteryjne obwody nie mają zastąpić procesorów ani służyć do tradycyjnych obliczeń cyfrowych.

Ich potencjalna przewaga leży gdzie indziej: mogą lokalnie wykrywać warunki biologiczne lub chemiczne i reagować bez klasycznego systemu elektronicznego. Susza, atak szkodników czy rozwój choroby rośliny trwają zwykle wiele godzin lub dni. W takim kontekście ośmiogodzinna reakcja może być wystarczająco szybka dla zastosowań biologicznych.

To wymiana szybkości na bezpośrednią integrację z żywym środowiskiem. Taki obwód mógłby wykrywać kombinację sygnałów dokładnie tam, gdzie potrzebna jest reakcja, a następnie uruchamiać biologiczny mechanizm odpowiedzi.

Możliwe zastosowania na korzeniach i liściach

Jednym z rozważanych kierunków są środowiska związane z roślinami. Obwód umieszczony na korzeniu lub liściu mógłby łączyć sygnały wskazujące na suszę, atak owadów albo obecność patogenu i reagować dopiero wtedy, gdy pojawi się właściwa kombinacja warunków.

Przyszły system mógłby na przykład uruchamiać produkcję związku grzybobójczego lub innej substancji chroniącej roślinę. Nie jest to jeszcze gotowy produkt rolniczy, lecz kierunek badań pokazujący, dlaczego obliczenia chemiczne mogą być przydatne nawet wtedy, gdy są znacznie wolniejsze od elektroniki.

Nowa warstwa projektowania w biologii syntetycznej

W tradycyjnym projektowaniu obwodów genetycznych często chodzi o to, ile funkcji da się zmieścić w jednej komórce. Architektura MIT stawia inne pytanie: które funkcje należy rozdzielić między różne populacje i jak te populacje powinny zostać rozmieszczone?

Genetyka określa, co potrafi dany szczep, a drukowanie ustala, jak jego możliwości zostaną połączone z innymi. W efekcie powstaje przeprogramowywalna platforma biologiczna zbudowana z niewielkiej biblioteki wyspecjalizowanych elementów, zamiast całkowicie nowego szczepu dla każdego projektu logicznego.

Badania były częściowo finansowane przez amerykańską agencję Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) oraz Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA).