MIT spausdintos gyvos grandinės iš modifikuotų bakterijų

Įsivaizduokite plokštę, kuri auga. Maži kolonijų telkiniai užima mikroschemų vietą; cheminiai šnabždesiai perduoda informaciją vietoje elektronų. Skamba kaip mokslinė fantastika, tačiau MIT tyrėjai sukūrė būtent tai: atspausdintą gyvą grandinę iš inžinerinių bakterijų.

Užuot į vieną ląstelę sutalpinę visą loginį tinklą, komanda perdizaino atskirus mikrobų tipus, kad jie veiktų kaip tranzistoriai ir relės. Dvi padermės elgiasi kaip jungiklio tipo tranzistoriai, o dar trys atlieka signalų konvertorių vaidmenį. Juos sujungus gaunamas lankstus įrankių rinkinys, galintis maršrutizuoti ir apdoroti signalus Petri lėkštelėje.

Tyrimai orientuoti į Pantoea agglomerans, paviršinę bakteriją, dažnai aptinkamą augaluose. Tyrėjai užprogramavo dvi tranzistorių variacijas, reaguojančias į įėjimo molekulę OC-6: viena įsijungia, kai yra OC-6, kita išsijungia. Abu tipai taip pat aptinka antrą molekulę, OC-12, ir gamina toliau perduodamą signalinę molekulę OHC-14 tik esant tam tikroms sąlygoms. Relės padermės tada išverčia OHC-14 į naujus išėjimus, perduodamos žinutę kaip laidai ant plokštelės.

Fizinė išdėstymo tvarka svarbi. Kolonijos buvo atspausdintos ant agaro maždaug penkių milimetrų atstumu, kad kiekvienas cheminis signalas pasiektų tik artimiausią kaimyną. Ribotas difuzavimas sukuria valdytą, žingsnį po žingsnio vykstantį informacijos srautą, iš esmės sujungiant komponentus viena kryptimi. Tyrėjai panaudojo šią savybę kurdami dvikryptes jungikles, demultiplekserius, sumatorius ir kitas logines struktūras išdėstydami kolonijas skirtingais raštais.

Tyrėjai sukūrė savo grandines spausdindami bakterijų kolonijas ant agarą turinčių plokštelių. Šis GIF rodo bakterijų augimą per 7 dienas. 

Vienas tranzistorius gali atlikti kelias loginės funkcijas priklausomai nuo to, kur jis yra tinkle: daugiaįėjimo vartai, arba vartai, net implikacijos operacijos. Komanda sudėjo grandines, kurios sudeda du įėjimus, ir demultiplekserį, kuris nukreipia vieną signalą į pasirinktus išėjimus. Didžiausiame demonstravime buvo sujungtos 24 kolonijos, kad atliktų sudėjimo operaciją, tai įrodymas, kad sudėtingesnės funkcijos gali kilti iš paprastesnių, vienaląstelių elementų.

Šios gyvos grandinės yra lėtos, kiekvienas skaičiavimas vyksta per valandas, o ne nanosekundes, tačiau jos optimizuotos biologijai, ne standartiniams rodikliams.

Be greičio, vertė yra perkeliant skaičiavimus ten, kur jau vyksta biologiniai sprendimai. Augalo lapas ar šaknis, aprūpinti bakterine grandine, galėtų stebėti vietines sąlygas, tokias kaip sausros stresas, patogenų ataka ar maistinių medžiagų signalai, ir inicijuoti tikslingas biologines reakcijas, pavyzdžiui, sintetinti apsauginį junginį. Apdorojimas per naktį yra greitas, jei laiko skalė, kuri rūpi, yra augimo sezonas.

Techniniu požiūriu sistema remiasi molekulinėmis įėjimo (OC-6, OC-12) ir išėjimo (OHC-14) signalų grandinėmis, o penkių padermių modulinis dizainas leidžia sudaryti daugybę skirtingų grandinių išdėstymų. Tyrėjai taip pat vizualiai demonstravo sistemą spausdindami kolonijas, kurios auga ir bendrauja kelias dienas, atskleisdami gyvos logikos choreografiją veiksme.

Prieky laukia kliūčių: atsparumas sudėtingose aplinkose, funkcijos palaikymas ant realių augalų paviršių ir saugumo bei izoliacijos užtikrinimas. Tačiau ši koncepcija pertvarko skaičiavimus, perkelia juos nuo silicio į ekosistemas, kurios gali juos tiesiogiai naudoti. Jei grandinės gali būti atspausdintos ant lapų ar įterptos prie šaknų, kokie nauji žemės ūkio sprendimai galėtų atsirasti per naktį?