Исследователи Массачусетского технологического института научили бактерии работать как транзисторы. Из колоний живых клеток они собрали модульные биологические схемы, способные выполнять базовые логические операции. В перспективе такие «живые процессоры» можно будет размещать прямо на листьях или корнях растений.
Учёные взяли бактерию Pantoea agglomerans, которая обычно обитает на растениях, и создали две её модифицированные версии. Одна работает как транзистор, включающийся при получении химического сигнала. Вторая выполняет противоположную функцию. Обе способны детектировать молекулу и выдавать другой химический сигнал на выходе.
Между транзисторами стоят три дополнительных бактериальных «реле». Они переводят один химический сигнал в другой, понятный следующей части схемы. Колонии печатают на агаре в чашках Петри на расстоянии около 5 мм друг от друга — этого достаточно, чтобы сигналы шли в нужном направлении.
В отличие от электронных схем, где по проводам бежит ток, здесь информация передаётся молекулами между живыми колониями. Раскладку схемы можно менять, не перепроектируя каждый элемент заново.
Что умеют биологические схемы
Команда продемонстрировала несколько логических функций. Одна из систем складывает два входных сигнала, используя 24 бактериальные колонии. Другие конфигурации реализуют операции OR и импликации. Также удалось построить демультиплексор — схему, которая направляет один входной сигнал к разным выходам в зависимости от управляющего сигнала.
Такой модульный подход решает важную проблему синтетической биологии. Обычно учёные пытаются запихнуть множество функций в одну клетку. Это перегружает её белково-синтетический аппарат и приводит к взаимным помехам. Разделение функций между разными клетками позволяет строить более сложные вычислительные системы.
Зачем это нужно растениям
Биологические схемы работают очень медленно — одна операция занимает около восьми часов. Для обычных компьютеров это неприемлемо, но для растений, живущих в масштабах часов, дней и сезонов, такой темп вполне естественен.
В MIT хотят в будущем размещать эти схемы прямо на корнях или листьях. Бактерии смогут обнаруживать признаки засухи, атаки вредителей или болезни и запускать ответную реакцию — например, начинать производить фунгицид.
«Мы не пытаемся заменить компьютеры, — подчеркнул Кристофер Войгт (Christopher Voigt), глава Департамента биологической инженерии MIT. — Цель — дать биологическим системам собственный вычислительный контроль».
Исследование опубликовано в журнале Nature Chemical Biology. Работа частично поддержана агентствами DARPA и IARPA.
