Så blev bakterier till levande transistorer

MIT-forskare har förvandlat genetiskt modifierade Pantoea agglomerans till byggstenar för ett biologiskt kretskort. Systemet flyttar inte elektroner som vanlig elektronik. I stället känner bakteriekolonier av, producerar och vidarebefordrar kemiska signaler som sprids genom odlingsmediet. På så sätt kan ett mönster av utskrivna levande celler utföra logik och aritmetik.

Den centrala innovationen är att kretsen kan ändras genom att koloniernas placering ändras. Samma genetiskt konstruerade stammar kan alltså användas i flera olika layouter, utan att forskarna behöver ta fram ett nytt genetiskt program för varje beräkning.

Bakterierna fungerade som transistorer och ledningar

Forskarna skapade två bakteriestammar som fungerar ungefär som transistorer och styrs av små molekyler. Den ena aktiveras av insignalen OC-6, medan den andra hämmas av samma molekyl. Båda reagerar också på OC-12 och kan, när de interna villkoren är uppfyllda, producera den kemiska utsignalen OHC-14.

Tre ytterligare relästammar bearbetar OHC-14 och omvandlar signalen till kemiska meddelanden som nedströms kolonier kan känna igen. I ett elektroniskt kretskort transporterar ledningar signaler mellan komponenterna. Här sköter reläkolonierna motsvarande uppgift genom att föra molekylära signaler vidare genom agarens tillväxtmedium.

Den modulära konstruktionen löser ett problem med att placera en stor genetisk krets i en enda cell. Varje ny reglerfunktion kräver molekylär maskineri, och för många funktioner kan leda till korsreaktioner mellan transkriptionsfaktorer samt en tung belastning på cellens proteinproduktion. Genom att specialisera olika kolonier behöver varje bakteriestam bara utföra sin lokala uppgift.

Kretsens layout blev en del av programmeringen

Kolonierna skrevs ut som små punkter på agar, med ungefär 5 millimeters avstånd mellan närliggande kolonier. Avståndet hjälpte till att styra den kemiska kommunikationen från en koloni till nästa. Därför avgjorde både koloniernas identitet och deras position hur informationen rörde sig genom kretsen.

Arbetsflödet började med en planerad utskriftslayout. Därefter odlades de genetiskt modifierade stammarna och förbereddes innan de deponerades på agarn. Det experimentella protokollet beskriver bland annat hur stammarna odlades på selektiv agar och förbereddes för utskrift i ett format med flera brunnar.

Att konfigurera om en krets innebar därför att ändra det rumsliga mönstret: vilken stam som placerades på varje position och vilka kolonier som hamnade bredvid varandra. DNA:t behövde inte skrivas om för varje ny krets. En del av programmeringen flyttades därmed från genetisk ingenjörskonst till fysisk montering.

Från OR-logik till en aritmetisk krets

Forskarna testade arkitekturen med allt mer avancerade operationer, bland annat:

• OR-logik, där någon av flera insignaler kan skapa en utsignal.
• Implikationsoperationer, där insignaler kombineras enligt ett villkorat logiskt samband.
• En 1-till-4-demultiplexer, som styr en insignal till en av fyra utgångar beroende på kontrollsignalerna.
• Aritmetiska kretsar, inklusive halvadderare och fulladderare.

Demonstrationen med en fulladderare använde 24 utskrivna kolonier. Resultatet visade att beräkningen kan fördelas mellan en population av samarbetande bakterier i stället för att pressas in i en enda genetiskt överbelastad cell.

Åtta timmar är långsamt för datorer – men inte nödvändigtvis för biologi

En beräkning tog ungefär åtta timmar. Det är extremt långsamt jämfört med kiselbaserad elektronik, där logiska operationer sker på elektroniska tidsskalor som är många storleksordningar kortare. Bakteriekretsarna är därför inte tänkta att ersätta processorer eller användas för traditionell digital databehandling.

Deras möjliga fördel ligger någon annanstans: de kan känna av biologiska eller kemiska förhållanden lokalt och reagera utan ett konventionellt elektroniskt system. Händelser som torkstress hos växter, angrepp av skadedjur eller sjukdomsutveckling pågår över timmar eller dagar. I sådana sammanhang kan en reaktionstid på åtta timmar vara relevant för biologisk bekämpning eller skydd.

Bytet är alltså hastighet mot biologisk integration. En levande krets skulle i princip kunna upptäcka en kombination av signaler direkt på den plats där en åtgärd behövs och därefter aktivera ett biologiskt svar.

Möjliga användningar på växters rötter och blad

Forskarna pekar på växtnära miljöer som ett möjligt användningsområde. En krets på en rot eller ett blad skulle kunna kombinera signaler som hänger samman med torka, insektsangrepp eller patogener och reagera först när rätt signalmönster upptäcks.

Ett framtida system skulle exempelvis kunna utlösa produktion av ett svampdödande ämne eller någon annan växtskyddande substans. Sådana tillämpningar är fortfarande en forskningsinriktning, inte en färdig jordbruksprodukt. De visar ändå varför kemisk beräkning kan vara användbar även när den är betydligt långsammare än elektronik.

En ny programmeringsnivå för syntetisk biologi

Traditionell design av genetiska kretsar handlar ofta om hur många funktioner som kan packas in i en enda cell. MIT:s arkitektur ställer en annan fråga: vilka funktioner bör delas upp mellan olika cellpopulationer, och hur ska populationerna placeras i förhållande till varandra?

Denna uppdelning kan minska belastningen på de enskilda cellerna samtidigt som den fysiska layouten blir ytterligare ett programmeringslager. Gentekniken avgör vad varje stam kan göra; utskriften avgör hur förmågorna kopplas samman. Resultatet är en omkonfigurerbar biologisk plattform som bygger på ett mindre bibliotek av specialiserade delar, i stället för en helt ny bakteriestam för varje logisk konstruktion.

Forskningen finansierades delvis av USA:s försvarsforskningsmyndighet DARPA och underrättelsemyndighetens forskningsprogram IARPA.