MIT, Bakterileri Kimyasal Sinyallerle Çalışan Canlı Transistörlere Dönüştürdü

MIT araştırmacıları, mühendislik ürünü Pantoea agglomerans bakterilerini biyolojik devre kartlarının yapı taşlarına dönüştürdü. Sistem, geleneksel elektronik devrelerdeki gibi elektronları hareket ettirmiyor. Bunun yerine bakteri kolonileri, yayılan kimyasal sinyalleri algılıyor, üretiyor ve birbirlerine aktarıyor. Böylece canlı hücrelerden oluşan basılı bir düzenek, mantık ve aritmetik işlemleri gerçekleştirebiliyor.

Çalışmanın temel yeniliği, devrenin bakteri kolonilerinin konumu değiştirilerek yeniden programlanabilmesi. Araştırmacılar, her yeni hesaplama için yeni bir genetik program tasarlamak yerine aynı mühendislik ürünü suşları farklı yerleşimlerde yeniden kullanabildi.

Bakteri suşları transistör ve kablo görevi gördü

Ekip, küçük moleküller tarafından kontrol edilen transistör benzeri iki bakteri suşu geliştirdi. Suşlardan biri OC-6 adlı giriş molekülüyle etkinleşirken diğeri bu molekül tarafından baskılanıyor. Her iki suş da OC-12'ye tepki verebiliyor ve hücre içindeki koşullar uygun olduğunda OHC-14 adlı kimyasal çıktıyı üretebiliyor.

Üç ek röle suşu, OHC-14'ü işleyerek sonraki transistör kolonilerinin tanıyabileceği kimyasal sinyallere dönüştürüyor. Elektronik devrelerde kablolar bileşenler arasında sinyal taşır. Bu sistemde ise röle kolonileri, büyüme ortamı boyunca moleküler mesajları aktararak bağlantı işlevini üstleniyor.

Bu modüler tasarım, büyük bir genetik devreyi tek bir hücreye yerleştirmenin yarattığı sorunu aşmayı amaçlıyor. Eklenen her düzenleyici işlev, hücrenin yeni moleküler araçlar üretmesini gerektiriyor. Çok sayıda işlev aynı hücrede birleştirildiğinde transkripsiyon faktörleri arasında istenmeyen etkileşimler oluşabiliyor ve hücre ağır bir protein üretim yükü altına girebiliyor. Farklı kolonileri uzmanlaştırmak, her suşun yalnızca kendi yerel görevini yerine getirmesini sağlıyor.

Devrenin programı yerleşim düzenine taşındı

Araştırmacılar bakteri kolonilerini agar üzerine noktalar halinde bastı ve komşu koloniler arasında yaklaşık 5 milimetre mesafe bıraktı. Bu düzen, kimyasal iletişimin bir koloniden diğerine yönlendirilmesine yardımcı oldu. Dolayısıyla her koloninin konumu ve kimliği, bilginin devre içinde nasıl ilerleyeceğini belirledi.

Baskı süreci, önceden planlanan bir yerleşim düzeniyle başladı. Ardından mühendislik ürünü suşlar seçici agar üzerinde büyütüldü, hazırlandı ve çok kuyucuklu bir formatta agar üzerine aktarıldı. Deney protokolü, suşların seçici agar üzerinde yetiştirilmesini ve baskıya hazırlanmasını açıklıyor.

Bu nedenle bir devreyi yeniden yapılandırmak, bakteri kolonilerinin uzaysal desenini değiştirmek anlamına geliyordu: Her konuma hangi suşun basılacağı ve hangi kolonilerin yan yana yerleştirileceği yeniden düzenleniyordu. Her yeni devre için DNA'nın yeniden yazılması gerekmiyordu. Böylece programlama sürecinin bir bölümü genetik mühendislikten fiziksel montaja taşındı.

Hangi işlemler gösterildi?

Araştırmacılar sistemi giderek daha karmaşık işlemlerle test etti. Gösterilen örnekler arasında şunlar yer aldı:

• OR mantığı: Birden fazla girişten herhangi biri etkin olduğunda çıktı üreten işlem.
• Çıkarım tipi işlemler: Girişleri koşullu bir mantıksal ilişkiye göre birleştiren devreler.
• 1'e 4 demultiplekser: Bir giriş sinyalini kontrol sinyallerine göre dört çıkıştan birine yönlendiren yapı.
• Aritmetik devreler: Yarım toplayıcı ve tam toplayıcı düzenekleri.

Tam toplayıcı gösteriminde 24 basılı bakteri kolonisi kullanıldı. Bu sonuç, hesaplamanın genetik olarak aşırı yüklenmiş tek bir hücreye sıkıştırılmak yerine birlikte çalışan bir hücre topluluğuna dağıtılabileceğini gösterdi.

Bilgisayarlar için yavaş, biyoloji için anlamlı bir hız

Bir hesaplamanın tamamlanması yaklaşık sekiz saat sürdü. Bu süre, mantık işlemlerini elektronik devrelerden çok daha kısa zaman ölçeklerinde gerçekleştiren silikon tabanlı bilgisayarlarla karşılaştırıldığında son derece uzun. Dolayısıyla bu bakteriyel devreler, işlemcilerin yerini almak veya geleneksel dijital hesaplama yapmak üzere tasarlanmıyor.

Sistemin olası avantajı başka bir yerde yatıyor: Biyolojik ya da kimyasal koşulları yerel olarak algılayıp geleneksel elektronik sistemlere ihtiyaç duymadan tepki verebilir. Bitkilerde kuraklık stresi, zararlı saldırısı veya hastalık gelişimi saatler ya da günler içinde ortaya çıktığından, sekiz saatlik bir yanıt süresi biyolojik kontrol uygulamaları için yine de anlamlı olabilir.

Buradaki tercih, hızdan biyolojik bütünleşmeye yönelmek. Canlı bir devre, ihtiyaç duyulan yerde birden fazla sinyali doğrudan algılayabilir ve ardından biyolojik bir çıktıyı etkinleştirebilir.

Köklerde ve yapraklarda olası kullanım

Araştırmacılar, bitkilerle ilişkili ortamları olası kullanım alanlarından biri olarak gösteriyor. Bir köke veya yaprağa yerleştirilen devre; kuraklık, böcek zararı ya da patojenlerle ilişkili sinyalleri bir arada değerlendirebilir ve yalnızca uygun sinyal kombinasyonu algılandığında yanıt verebilir.

Gelecekteki bir sistem, örneğin mantar öldürücü bir bileşiğin veya bitkiyi koruyan başka bir çıktının üretimini tetikleyebilir. Bu uygulamalar henüz gösterilmiş bir tarım ürünü değil, araştırma yönü niteliğinde. Yine de bu örnekler, kimyasal hesaplamanın elektronik sistemlerden çok daha yavaş olsa bile neden işe yarayabileceğini ortaya koyuyor.

Sentetik biyolojide değişen yaklaşım

Geleneksel genetik devre tasarımında çoğu zaman şu soru sorulur: Kaç işlev tek bir hücreye sığdırılabilir? MIT'nin mimarisi ise farklı bir soru ortaya koyuyor: Hangi işlevler farklı hücre popülasyonlarına dağıtılmalı ve bu popülasyonlar nasıl düzenlenmeli?

Bu görev paylaşımı, tek tek hücrelerin üzerindeki yükü azaltırken fiziksel yerleşimi de ek bir programlama katmanına dönüştürüyor. Genetik mühendislik her suşun neler yapabileceğini belirliyor; baskı düzeni ise bu yeteneklerin nasıl bağlanacağını tanımlıyor. Böylece her mantık tasarımı için baştan yeni bir suş geliştirmek yerine, uzmanlaşmış parçalardan oluşan küçük bir kütüphaneyle yeniden yapılandırılabilir bir biyolojik platform kuruluyor.

Çalışma, kısmen ABD Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı (DARPA) ve ABD İstihbarat İleri Araştırma Projeleri Faaliyeti (IARPA) tarafından finanse edildi.