Из чего состоит живая схема

Учёные создали два штамма, напоминающих транзисторы, и три штамма-посредника.

• Один транзисторный штамм активируется малой молекулой OC-6, другой подавляется под её воздействием.
• Оба штамма реагируют также на OC-12 и при выполнении нужных условий производят химический сигнал OHC-14.
• Три релейных штамма обрабатывают OHC-14 и преобразуют его в сигналы, которые могут распознать следующие транзисторные колонии.

В электронной схеме эту роль выполняют провода. Здесь функцию «проводки» берут на себя колонии-посредники: они передают молекулярные сообщения через питательную среду.

Такой модульный подход помогает решить проблему слишком сложных схем внутри одной клетки. Каждая дополнительная функция требует собственной молекулярной аппаратуры, а большое число регуляторных элементов может вызывать перекрёстные помехи между факторами транскрипции и создавать для клетки тяжёлую нагрузку по производству белков. Если разделить задачи между разными колониями, каждый штамм выполняет только локальную функцию.

Программа теперь задаётся расположением клеток

Бактериальные колонии печатали в виде точек на агаре, оставляя между соседними колониями примерно 5 миллиметров. Такое расстояние помогало направлять химическую коммуникацию от одной колонии к другой. Поэтому на работу схемы влияли не только свойства конкретного штамма, но и его положение, а также соседство с другими колониями.

Сначала исследователи проектировали схему и выращивали подготовленные штаммы, затем наносили их на агар в соответствии с заданной раскладкой. Экспериментальный протокол описывает выращивание бактерий на селективном агаре и подготовку образцов к печати в формате многолуночной планшетки.

Чтобы перенастроить схему, достаточно было изменить пространственный узор: выбрать, какой штамм разместить в каждой точке и какие колонии сделать соседними. Переписывать ДНК для каждой новой операции не требовалось. Таким образом, часть программирования переносится из генетической инженерии в физическую сборку схемы.

Какие операции удалось выполнить

Исследователи проверили архитектуру на нескольких уровнях сложности:

• Логика OR — выходной сигнал появляется, если активен хотя бы один из входов.
• Операции типа импликации — входы объединяются по условному логическому правилу.
• Демультиплексор 1:4 — один входной сигнал направляется к одному из четырёх выходов в зависимости от управляющих сигналов.
• Арифметические схемы — в том числе полуcумматор и полный сумматор.

Демонстрация полного сумматора включала 24 напечатанные колонии. Это показало, что вычисления можно распределять между сотрудничающими популяциями бактерий, а не перегружать ими одну клетку.

Восемь часов против наносекунд

На одно вычисление у живой схемы уходило около восьми часов. Для кремниевой электроники это чрезвычайно медленно: обычные цифровые операции выполняются за наносекунды или быстрее. Поэтому бактериальные схемы не предназначены для замены процессоров и традиционных компьютеров.

Однако в биологии важна не только скорость. Засуха, атака вредителей и развитие заболеваний растений могут продолжаться часами или днями. Система, которой требуется около восьми часов, потенциально способна вовремя распознать комбинацию биологических сигналов и запустить локальную защитную реакцию.

Иными словами, живые схемы меняют скорость на биологическую интеграцию: они могут воспринимать химические условия непосредственно там, где нужно принять решение, и автономно запускать ответ.

Что это может дать растениям

Одним из возможных направлений применения учёные называют среды, связанные с растениями. Схема на корне или листе могла бы одновременно анализировать сигналы, связанные с нехваткой воды, насекомыми или патогенами, и реагировать только на нужное сочетание факторов.

В перспективе такая система могла бы запускать выработку фунгицидного соединения или другого вещества, защищающего растение. Пока это направление остаётся исследовательской перспективой, а не готовым сельскохозяйственным продуктом. Но именно здесь медленная химическая обработка сигналов может оказаться полезной: биологические процессы сами развиваются не мгновенно.

Новый уровень программирования в синтетической биологии

Традиционный подход к генетическим схемам часто сводится к вопросу: сколько функций удастся поместить в одну клетку? Архитектура MIT предлагает другой вариант — разделить функции между разными популяциями и определить их связи с помощью расположения на поверхности.

Генетическая инженерия задаёт, что умеет каждый штамм, а печать определяет, как эти возможности соединяются. В результате получается перенастраиваемая биологическая платформа, собранная из небольшой библиотеки специализированных компонентов. Для новой логической схемы достаточно изменить раскладку, а не создавать полностью новый штамм.

Исследование частично финансировали Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) и Управление перспективных разведывательных исследовательских проектов США (IARPA).

Из чего состоит живая схема

Учёные создали два штамма, напоминающих транзисторы, и три штамма-посредника.

• Один транзисторный штамм активируется малой молекулой OC-6, другой подавляется под её воздействием.
• Оба штамма реагируют также на OC-12 и при выполнении нужных условий производят химический сигнал OHC-14.
• Три релейных штамма обрабатывают OHC-14 и преобразуют его в сигналы, которые могут распознать следующие транзисторные колонии.

В электронной схеме эту роль выполняют провода. Здесь функцию «проводки» берут на себя колонии-посредники: они передают молекулярные сообщения через питательную среду.

Такой модульный подход помогает решить проблему слишком сложных схем внутри одной клетки. Каждая дополнительная функция требует собственной молекулярной аппаратуры, а большое число регуляторных элементов может вызывать перекрёстные помехи между факторами транскрипции и создавать для клетки тяжёлую нагрузку по производству белков. Если разделить задачи между разными колониями, каждый штамм выполняет только локальную функцию.

Программа теперь задаётся расположением клеток

Бактериальные колонии печатали в виде точек на агаре, оставляя между соседними колониями примерно 5 миллиметров. Такое расстояние помогало направлять химическую коммуникацию от одной колонии к другой. Поэтому на работу схемы влияли не только свойства конкретного штамма, но и его положение, а также соседство с другими колониями.

Сначала исследователи проектировали схему и выращивали подготовленные штаммы, затем наносили их на агар в соответствии с заданной раскладкой. Экспериментальный протокол описывает выращивание бактерий на селективном агаре и подготовку образцов к печати в формате многолуночной планшетки.

Чтобы перенастроить схему, достаточно было изменить пространственный узор: выбрать, какой штамм разместить в каждой точке и какие колонии сделать соседними. Переписывать ДНК для каждой новой операции не требовалось. Таким образом, часть программирования переносится из генетической инженерии в физическую сборку схемы.

Какие операции удалось выполнить

Исследователи проверили архитектуру на нескольких уровнях сложности:

• Логика OR — выходной сигнал появляется, если активен хотя бы один из входов.
• Операции типа импликации — входы объединяются по условному логическому правилу.
• Демультиплексор 1:4 — один входной сигнал направляется к одному из четырёх выходов в зависимости от управляющих сигналов.
• Арифметические схемы — в том числе полуcумматор и полный сумматор.

Демонстрация полного сумматора включала 24 напечатанные колонии. Это показало, что вычисления можно распределять между сотрудничающими популяциями бактерий, а не перегружать ими одну клетку.

Восемь часов против наносекунд

На одно вычисление у живой схемы уходило около восьми часов. Для кремниевой электроники это чрезвычайно медленно: обычные цифровые операции выполняются за наносекунды или быстрее. Поэтому бактериальные схемы не предназначены для замены процессоров и традиционных компьютеров.

Однако в биологии важна не только скорость. Засуха, атака вредителей и развитие заболеваний растений могут продолжаться часами или днями. Система, которой требуется около восьми часов, потенциально способна вовремя распознать комбинацию биологических сигналов и запустить локальную защитную реакцию.

Иными словами, живые схемы меняют скорость на биологическую интеграцию: они могут воспринимать химические условия непосредственно там, где нужно принять решение, и автономно запускать ответ.

Что это может дать растениям

Одним из возможных направлений применения учёные называют среды, связанные с растениями. Схема на корне или листе могла бы одновременно анализировать сигналы, связанные с нехваткой воды, насекомыми или патогенами, и реагировать только на нужное сочетание факторов.

В перспективе такая система могла бы запускать выработку фунгицидного соединения или другого вещества, защищающего растение. Пока это направление остаётся исследовательской перспективой, а не готовым сельскохозяйственным продуктом. Но именно здесь медленная химическая обработка сигналов может оказаться полезной: биологические процессы сами развиваются не мгновенно.

Новый уровень программирования в синтетической биологии

Традиционный подход к генетическим схемам часто сводится к вопросу: сколько функций удастся поместить в одну клетку? Архитектура MIT предлагает другой вариант — разделить функции между разными популяциями и определить их связи с помощью расположения на поверхности.

Генетическая инженерия задаёт, что умеет каждый штамм, а печать определяет, как эти возможности соединяются. В результате получается перенастраиваемая биологическая платформа, собранная из небольшой библиотеки специализированных компонентов. Для новой логической схемы достаточно изменить раскладку, а не создавать полностью новый штамм.

Исследование частично финансировали Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) и Управление перспективных разведывательных исследовательских проектов США (IARPA).