MIT สร้างแผงวงจรมีชีวิตจากแบคทีเรีย เปลี่ยนโปรแกรมด้วยการจัดตำแหน่งเซลล์

นักวิจัยจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) เปลี่ยนแบคทีเรียดัดแปลงพันธุกรรม Pantoea agglomerans ให้ทำหน้าที่คล้ายชิ้นส่วนบนแผงวงจรชีวภาพได้สำเร็จ โดยวงจรนี้ไม่ได้เคลื่อนอิเล็กตรอนแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทั่วไป แต่ใช้โคโลนีแบคทีเรียตรวจจับ ผลิต และส่งต่อสัญญาณเคมีที่แพร่ผ่านอาหารเลี้ยงเชื้อ เพื่อทำงานด้านตรรกะและการคำนวณ

จุดเด่นของระบบอยู่ที่การ “เปลี่ยนโปรแกรมด้วยการจัดวาง” นักวิจัยสามารถใช้แบคทีเรียสายพันธุ์เดิม แล้วเปลี่ยนตำแหน่งของโคโลนีเพื่อสร้างวงจรคนละแบบ โดยไม่จำเป็นต้องออกแบบโปรแกรมพันธุกรรมใหม่ทุกครั้ง

แบคทีเรียทำหน้าที่คล้ายทรานซิสเตอร์และสายไฟ

ทีมวิจัยสร้างแบคทีเรียที่ทำหน้าที่คล้ายทรานซิสเตอร์ 2 สายพันธุ์ ซึ่งควบคุมด้วยโมเลกุลขนาดเล็ก ได้แก่

• สายพันธุ์หนึ่งถูกเปิดการทำงานเมื่อพบโมเลกุล OC-6
• อีกสายพันธุ์หนึ่งถูกยับยั้งเมื่อพบ OC-6
• ทั้งสองสายพันธุ์ตอบสนองต่อ OC-12 และสามารถผลิตสัญญาณเคมี OHC-14 ได้เมื่อเงื่อนไขภายในเซลล์เหมาะสม

นอกจากนี้ยังมีแบคทีเรียรีเลย์อีก 3 สายพันธุ์ ทำหน้าที่รับสัญญาณ OHC-14 แล้วแปลงเป็นสัญญาณเคมีที่โคโลนีทรานซิสเตอร์ถัดไปตรวจจับได้ หากเปรียบเทียบกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ รีเลย์เหล่านี้ก็มีบทบาทคล้ายสายไฟที่เชื่อมชิ้นส่วนต่าง ๆ เข้าด้วยกัน เพียงแต่ “ข้อความ” ที่ส่งต่อกันคือโมเลกุล ไม่ใช่ไฟฟ้า

การแบ่งหน้าที่เช่นนี้ช่วยแก้ข้อจำกัดสำคัญของวงจรพันธุกรรมที่รวมทุกฟังก์ชันไว้ในเซลล์เดียว เพราะทุกฟังก์ชันควบคุมที่เพิ่มเข้ามาต้องใช้กลไกระดับโมเลกุลเพิ่มเติม เมื่อรวมหลายฟังก์ชันมากเกินไป อาจเกิดการรบกวนกันระหว่างปัจจัยควบคุมการถอดรหัส และทำให้เซลล์ต้องแบกรับภาระการผลิตโปรตีนสูงเกินไป การแยกงานให้โคโลนีแต่ละกลุ่มจึงทำให้แบคทีเรียแต่ละสายพันธุ์รับผิดชอบเฉพาะงานของตัวเอง

ตำแหน่งของโคโลนีกลายเป็นส่วนหนึ่งของโปรแกรม

นักวิจัยพิมพ์โคโลนีแบคทีเรียเป็นจุดลงบนวุ้นอาหารเลี้ยงเชื้อ โดยจัดให้โคโลนีข้างเคียงอยู่ห่างกันประมาณ 5 มิลลิเมตร ระยะดังกล่าวช่วยกำหนดทิศทางการสื่อสารของสัญญาณเคมีจากโคโลนีหนึ่งไปยังอีกโคโลนีหนึ่ง

ขั้นตอนเริ่มจากการออกแบบผังการพิมพ์ จากนั้นเพาะเลี้ยงแบคทีเรียแต่ละสายพันธุ์บนอาหารวุ้นที่คัดเลือกไว้ แล้วเตรียมเซลล์สำหรับพิมพ์ลงบนวุ้นในรูปแบบหลายหลุมตามแผนผังการทดลอง

ดังนั้น หากต้องการสร้างวงจรใหม่ นักวิจัยเพียงเปลี่ยนว่าโคโลนีชนิดใดจะอยู่ตรงตำแหน่งไหน และโคโลนีใดจะอยู่ติดกับโคโลนีใด การเปลี่ยนรูปแบบทางกายภาพจึงกลายเป็นอีกชั้นหนึ่งของการเขียนโปรแกรม ขณะที่ DNA ของแบคทีเรียไม่ต้องถูกเขียนใหม่ทุกครั้ง

วงจรที่สาธิตได้มีอะไรบ้าง

สถาปัตยกรรมนี้ถูกทดสอบด้วยการคำนวณที่ซับซ้อนขึ้นตามลำดับ ได้แก่

• ตรรกะ OR ซึ่งเอาต์พุตจะเกิดขึ้นเมื่อมีอินพุตอย่างน้อยหนึ่งตัวทำงาน
• การดำเนินการแบบอิมพลิเคชัน ซึ่งรวมอินพุตตามความสัมพันธ์เชิงเงื่อนไข
• ดีมัลติเพล็กเซอร์ 1 ต่อ 4 สำหรับส่งอินพุตหนึ่งตัวไปยังเอาต์พุตหนึ่งในสี่ช่องตามสัญญาณควบคุม
• วงจรเลขคณิต ทั้งแบบฮาล์ฟแอดเดอร์และฟูลแอดเดอร์

การสาธิตฟูลแอดเดอร์ใช้โคโลนีที่พิมพ์ลงบนวุ้นทั้งหมด 24 จุด แสดงให้เห็นว่าการคำนวณสามารถกระจายไปตามประชากรแบคทีเรียหลายกลุ่มที่ทำงานร่วมกันได้ แทนที่จะบีบทุกฟังก์ชันไว้ในเซลล์เดียว

ใช้เวลาคำนวณ 8 ชั่วโมง ช้ากว่าซิลิคอนมาก แต่ยังมีเหตุผลในงานชีวภาพ

วงจรแบคทีเรียใช้เวลาประมาณ 8 ชั่วโมงต่อการคำนวณหนึ่งครั้ง ซึ่งช้ากว่าวงจรคอมพิวเตอร์ซิลิคอนอย่างมาก จึงไม่ได้ถูกออกแบบมาเพื่อแทนที่หน่วยประมวลผลหรือใช้คำนวณดิจิทัลทั่วไป

อย่างไรก็ตาม ความเร็วระดับนี้อาจเพียงพอสำหรับปัญหาทางชีวภาพที่เปลี่ยนแปลงในระดับชั่วโมงหรือวัน เช่น ความเครียดจากภัยแล้ง การเข้าทำลายของแมลง หรือการเกิดโรคในพืช

ข้อได้เปรียบของระบบจึงไม่ใช่ความเร็ว แต่คือการตรวจจับสัญญาณทางชีวภาพหรือเคมี ณ จุดที่เกิดเหตุ แล้วส่งต่อไปยังการตอบสนองทางชีวภาพได้โดยตรง หากวงจรต้องรอหลายชั่วโมงเพื่อประเมินสภาวะของพืช ระยะเวลาดังกล่าวอาจยอมรับได้มากกว่าการนำไปใช้กับงานคอมพิวเตอร์ทั่วไป

อนาคตอาจใช้ตรวจภัยแล้ง แมลง และโรคพืช

หนึ่งในแนวทางที่นักวิจัยมองไว้คือการนำวงจรลักษณะนี้ไปใช้ในบริเวณที่เกี่ยวข้องกับพืช เช่น รากหรือลำต้น ระบบอาจรวมสัญญาณหลายชนิดเข้าด้วยกัน และตอบสนองต่อเมื่อพบรูปแบบที่ตรงตามเงื่อนไข เช่น สัญญาณของการขาดน้ำร่วมกับสัญญาณจากเชื้อก่อโรคหรือแมลง

ในอนาคต วงจรอาจถูกออกแบบให้กระตุ้นการผลิตสารป้องกันพืช เช่น สารออกฤทธิ์ต้านเชื้อรา หรือเอาต์พุตทางชีวภาพอื่น ๆ อย่างไรก็ดี การใช้งานเหล่านี้ยังเป็นทิศทางการวิจัย ไม่ใช่ผลิตภัณฑ์เกษตรที่มีการสาธิตใช้งานแล้ว

เปลี่ยนแนวคิดการออกแบบชีววิทยาสังเคราะห์

การออกแบบวงจรพันธุกรรมแบบเดิมมักตั้งคำถามว่า จะรวมฟังก์ชันไว้ในเซลล์เดียวได้มากแค่ไหน แต่แนวทางของ MIT เปลี่ยนคำถามเป็นว่า ฟังก์ชันใดควรถูกแยกไปอยู่ในประชากรเซลล์ต่าง ๆ และควรจัดวางประชากรเหล่านั้นอย่างไร

ในสถาปัตยกรรมนี้ พันธุวิศวกรรมกำหนดว่าแบคทีเรียแต่ละสายพันธุ์ “ทำอะไรได้” ส่วนการพิมพ์กำหนดว่าแต่ละความสามารถจะ “เชื่อมต่อกันอย่างไร” ผลลัพธ์คือแพลตฟอร์มชีวภาพที่ปรับเปลี่ยนได้ โดยใช้ชิ้นส่วนเฉพาะทางจำนวนไม่มาก แทนการสร้างแบคทีเรียสายพันธุ์ใหม่ทั้งหมดสำหรับวงจรแต่ละแบบ

งานวิจัยนี้ได้รับทุนบางส่วนจากสำนักงานโครงการวิจัยขั้นสูงด้านกลาโหมของสหรัฐฯ (DARPA) และสำนักงานโครงการวิจัยขั้นสูงด้านข่าวกรองของสหรัฐฯ (IARPA)