Μια νέα προσέγγιση στη βιοτεχνολογία μεταφέρει την έννοια του υπολογιστικού κυκλώματος από τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα στα ζωντανά βακτήρια, δημιουργώντας συστήματα που μπορούν να επεξεργάζονται πληροφορίες και να μεταδίδουν χημικά σήματα από κύτταρο σε κύτταρο. Ερευνητές του MIT τροποποίησαν γενετικά βακτήρια ώστε να λειτουργούν ως τρανζίστορ και στη συνέχεια τα συνέδεσαν μεταξύ τους, δημιουργώντας αυτό που περιγράφουν ως «ζωντανές πλακέτες κυκλωμάτων».
Η ιδέα δεν αφορά τη δημιουργία ενός μικροσκοπικού ηλεκτρονικού υπολογιστή μέσα σε ένα βακτήριο. Τα βακτήρια λειτουργούν ως βιολογικά εξαρτήματα που ανταποκρίνονται σε συγκεκριμένα χημικά μόρια και παράγουν άλλα μόρια ως σήματα εξόδου. Με την κατάλληλη διάταξη πολλών διαφορετικών βακτηριακών αποικιών, αυτά τα σήματα μπορούν να μεταφέρονται διαδοχικά και να εκτελούν υπολογιστικές πράξεις.
Πώς τα βακτήρια λειτουργούν σαν τρανζίστορ
Στα ηλεκτρονικά κυκλώματα, το τρανζίστορ λειτουργεί σαν διακόπτης που ελέγχει τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Στο σύστημα του MIT, ο ρόλος αυτός μεταφέρεται σε χημικά σήματα. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το βακτήριο Pantoea agglomerans, το οποίο αναπτύσσεται φυσιολογικά σε επιφάνειες, μεταξύ άλλων και πάνω σε φυτά, και δημιούργησαν δύο διαφορετικούς τύπους βακτηριακών τρανζίστορ. Και οι δύο τύποι μπορούν να ανιχνεύουν συγκεκριμένα μόρια, όμως αντιδρούν διαφορετικά σε ένα από αυτά. Το ένα τρανζίστορ ενεργοποιείται όταν συναντήσει το μόριο OC-6, ενώ το άλλο απενεργοποιείται. Παράλληλα, και τα δύο ανιχνεύουν ένα δεύτερο μόριο, το OC-12. Ανάλογα με την παρουσία αυτών των σημάτων, τα βακτήρια παράγουν ένα τρίτο μόριο, το OHC-14, το οποίο μεταφέρει την πληροφορία στο επόμενο τμήμα του κυκλώματος. Για να μπορέσουν οι ερευνητές να συνδέσουν τα διαφορετικά βακτηριακά «εξαρτήματα», δημιούργησαν τρεις επιπλέον βακτηριακές σειρές που λειτουργούν ως ενδιάμεσοι αναμεταδότες. Αυτά τα κύτταρα μετατρέπουν το ένα χημικό σήμα σε άλλο, επιτρέποντας στην πληροφορία να μετακινείται από ένα τρανζίστορ στο επόμενο. Με τον τρόπο αυτό, πέντε διαφορετικές βακτηριακές σειρές αποτελούν ένα αρθρωτό σύστημα που μπορεί να συνδυαστεί σε διαφορετικές διατάξεις.
Οι αποικίες τυπώθηκαν πάνω σε πλάκες άγαρ, δηλαδή σε υλικό που χρησιμοποιείται ως μέσο ανάπτυξης μικροοργανισμών. Κάθε βακτηριακή αποικία τοποθετήθηκε περίπου 5 χιλιοστά από την πλησιέστερη, ώστε τα χημικά σήματα να φτάνουν στην επόμενη αποικία και όχι σε πολλές διαφορετικές ταυτόχρονα. Έτσι δημιουργείται μια συγκεκριμένη κατεύθυνση στη μεταφορά της πληροφορίας μέσα στο βιολογικό κύκλωμα.
Το πιο εντυπωσιακό στοιχείο της έρευνας είναι ότι οι βακτηριακές αποικίες δεν περιορίστηκαν σε μία απλή λειτουργία ενεργοποίησης ή απενεργοποίησης. Οι ερευνητές έδειξαν ότι το ίδιο βακτηριακό τρανζίστορ μπορεί να εκτελεί διαφορετικές λογικές πράξεις ανάλογα με τη θέση του στο κύκλωμα, μεταξύ άλλων λειτουργίες πολλαπλών εισόδων, «ή» και «συνεπάγεται». Με τη σύνδεση περισσότερων αποικιών κατασκευάστηκαν ακόμη πιο σύνθετα κυκλώματα. Ένα από αυτά μπορούσε να προσθέτει δύο εισόδους, ενώ άλλα μπορούσαν να επεξεργάζονται πολλές εισόδους ταυτόχρονα ή να λειτουργούν ως αποπολυπλέκτες, δηλαδή να λαμβάνουν ένα σήμα και να το κατευθύνουν σε διαφορετικό προορισμό ανάλογα με ένα δεύτερο σήμα ελέγχου. Το μεγαλύτερο κύκλωμα που δημιούργησαν αποτελούνταν από 24 διασυνδεδεμένες βακτηριακές αποικίες και μπορούσε να εκτελεί πρόσθεση δύο εισόδων.
Η ταχύτητα, ωστόσο, απέχει πολύ από αυτή ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή. Κάθε υπολογισμός χρειάζεται περίπου οκτώ ώρες, κάτι που καθιστά προφανώς αδύνατη τη χρήση της τεχνολογίας για τις συνηθισμένες εφαρμογές των υπολογιστών. Αυτό όμως δεν είναι ο στόχος των ερευνητών. Η χρησιμότητα βρίσκεται στο γεγονός ότι ένα τέτοιο κύκλωμα θα μπορούσε κάποια στιγμή να λειτουργεί εκεί όπου βρίσκεται ένας ζωντανός οργανισμός, χωρίς να χρειάζεται ξεχωριστός ηλεκτρονικός υπολογιστής.
Οι ερευνητές οραματίζονται βακτηριακά κυκλώματα που θα μπορούν να τοποθετούνται στις ρίζες ή στα φύλλα των φυτών και να ανιχνεύουν διαφορετικές μορφές περιβαλλοντικού στρες. Ένα κύκλωμα θα μπορούσε, για παράδειγμα, να αναγνωρίζει χημικά σημάδια που σχετίζονται με ξηρασία ή επίθεση από παράσιτα και στη συνέχεια να ενεργοποιεί μια συγκεκριμένη βιολογική αντίδραση, όπως την παραγωγή μιας ουσίας με μυκητοκτόνο δράση.
Η προσέγγιση επομένως δεν αποσκοπεί στην αντικατάσταση των ηλεκτρονικών υπολογιστών αλλά στην εισαγωγή υπολογιστικής λειτουργίας μέσα στη βιολογία. Ένα κύκλωμα που χρειάζεται οκτώ ώρες για να ολοκληρώσει έναν υπολογισμό είναι εξαιρετικά αργό για ένα ηλεκτρονικό σύστημα, αλλά μπορεί να είναι επαρκώς γρήγορο όταν βρίσκεται πάνω σε ένα φυτό και πρέπει να παρακολουθεί μια διαδικασία που εξελίσσεται σε χρονικό ορίζοντα ημερών ή εβδομάδων.
Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Nature Chemical Biology.
