Як MIT створив переналаштовувані схеми з генетично модифікованих бактерій

Дослідники Массачусетського технологічного інституту (MIT) перетворили генетично модифіковані бактерії Pantoea agglomerans на модульні елементи біологічної схеми. На відміну від звичайної електроніки, така система не переміщує електрони: колонії бактерій розпізнають, виробляють і передають молекули, що дифундують крізь поживне середовище. Завдяки цьому надруковані на агарі живі клітини можуть виконувати логічні та арифметичні операції.

Головна особливість підходу — переналаштовуваність. Щоб створити іншу схему, ученим достатньо змінити розташування колоній і набір клітин у конкретних позиціях. Переписувати генетичну програму кожного штаму для кожного нового обчислення не потрібно.

Бактерії виконували роль транзисторів і «проводів»

Команда створила два штами, які працюють подібно до транзисторів і керуються малими молекулами-сигналами. Один із них активується молекулою OC-6, інший — пригнічується нею. Обидва штами також реагують на OC-12 і за відповідних внутрішніх умов виробляють хімічний вихідний сигнал OHC-14.

Ще три штами-ретранслятори обробляють OHC-14 і перетворюють його на сигнали, які можуть розпізнавати наступні колонії транзисторів. В електронній схемі цю функцію виконують дроти, а тут роль «з’єднань» відіграють колонії, що передають молекулярні повідомлення через поживне середовище.

Такий модульний дизайн допомагає подолати обмеження складних генетичних схем, зібраних в одній клітині. Кожна додаткова регуляторна функція потребує молекулярного апарату, а велика кількість функцій може спричиняти перехресні взаємодії між факторами транскрипції та створювати значне навантаження на виробництво білків.

Натомість спеціалізовані колонії виконують лише локальні завдання. Одні клітини працюють як перемикачі, інші — як ретранслятори сигналів. Це дає змогу розподілити обчислення між популяціями, а не перевантажувати один штам усіма функціями.

Розташування колоній стало частиною програми

Бактерії друкували у вигляді крапок на агарі — желеподібному поживному середовищі, яке використовують для вирощування мікроорганізмів. Відстань між сусідніми колоніями становила приблизно 5 міліметрів. Таке розташування спрямовувало хімічну комунікацію від однієї колонії до іншої.

Експериментальний протокол передбачав спочатку проєктування макета, потім вирощування модифікованих штамів і підготовку їх до друку в багатолунковому форматі. Штами вирощували на селективному агарі, а далі переносили на середовище відповідно до заданої схеми.

Тому позиція та тип кожної колонії визначали, як рухатиметься інформація. Щоб переналаштувати схему, дослідники змінювали просторовий шаблон: який штам друкується в певній точці та з якими колоніями він межує. Генетичний код при цьому залишався незмінним. Частина програмування переноситься з молекулярного рівня на фізичне складання системи.

Які операції вдалося виконати

Дослідники перевіряли архітектуру на дедалі складніших схемах, зокрема продемонстрували:

• логіку OR, у якій сигнал на будь-якому з кількох входів може спричинити вихідний сигнал;
• операції типу імплікації, що поєднують входи за умовним логічним правилом;
• демультиплексор 1:4, який спрямовує один вхідний сигнал до одного з чотирьох виходів залежно від керувальних сигналів;
• арифметичні схеми, зокрема напівсуматор і повний суматор.

Демонстрація повного суматора використовувала 24 надруковані колонії. Це показало, що обчислення можна розподілити між багатьма взаємодіючими популяціями бактерій, а не зосереджувати в одній генетично перевантаженій клітині.

Вісім годин — повільно для комп’ютера, але прийнятно для біології

На виконання одного обчислення системі потрібно приблизно вісім годин. Для кремнієвої електроніки це надзвичайно повільно: звичайні цифрові схеми працюють на масштабах часу, що на багато порядків коротші. Тож бактеріальні схеми не призначені для заміни процесорів або традиційних цифрових обчислень.

Їхня потенційна перевага інша — локальне розпізнавання біологічних і хімічних умов та відповідь на них без звичайної електронної системи. Посуха, пошкодження шкідниками чи розвиток хвороби рослини тривають години або дні, тому реакція за вісім годин може бути корисною для біологічного контролю.

Отже, це обмін швидкості на біологічну інтеграцію. Жива схема теоретично може безпосередньо на місці виявити певне поєднання сигналів і запустити потрібну біологічну відповідь.

Можливе застосування на коренях і листі рослин

Одним із потенційних середовищ для такої технології дослідники називають рослини. Схема, розміщена на корені або листі, могла б одночасно аналізувати сигнали, пов’язані з нестачею води, атакою комах чи патогенами, і реагувати лише тоді, коли виявлено потрібну комбінацію умов.

У майбутньому така система могла б запускати вироблення фунгіцидної сполуки або іншого захисного сигналу для рослини. Поки що це напрям подальших досліджень, а не готовий сільськогосподарський продукт. Проте приклад пояснює, чому хімічні обчислення можуть мати сенс навіть за значно нижчої швидкості, ніж електроніка.

Новий рівень програмування в синтетичній біології

Традиційне проєктування генетичних схем часто зосереджується на тому, скільки функцій можна вмістити в одну клітину. Архітектура MIT ставить інше питання: які функції варто розподілити між різними популяціями клітин і як саме їх розташувати?

У цій моделі генетична інженерія визначає, що вміє кожен штам, а друк визначає, як ці можливості з’єднані. У результаті формується переналаштовувана біологічна платформа з невеликої бібліотеки спеціалізованих компонентів — замість створення абсолютно нового штаму для кожної логічної схеми.

Дослідження частково фінансували Управління перспективних оборонних дослідницьких проєктів США (DARPA) та Управління розвідувальних перспективних дослідницьких проєктів США (IARPA).