Инженеры MIT создали живые транзисторы из бактерий для биологических вычислений
Инженеры Массачусетского технологического института создали прототип живых транзисторов, в которых вместо электрических сигналов используются биологические. В основе разработки лежат три штамма бактерии Pantoea agglomerans, которые переносят сигналы по цепи вместо электронов. Одно вычисление занимает около 8 часов, но результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Chemical Biology, демонстрируют неожиданный потенциал биотехнологий. Речь идет не о конкуренции с кремниевыми чипами, а о встраивании логики прямо в живые системы.
Глава департамента биологической инженерии MIT и старший автор исследования Кристофер Фойт объяснил, что команда не пытается заменить традиционные компьютеры, а хочет внедрить вычислительный контроль в биологию. По его словам, если бактерии размещены на корне растения или само растение выполняет вычисления, то простой расчет за ночь оказывается достаточно быстрым относительно вегетационного сезона. Прежние попытки в этой области опирались на ферменты и размещали целую схему внутри одной крупной клетки, что жестко ограничивало сложность получаемых конструкций.
Биологические транзисторы работают по иному принципу. Как пишут авторы работы, они не задают логику схемы, а условно разрешают распространение сигнала. Такой подход позволяет комбинировать биотранзисторы в разных конфигурациях и собирать более разнообразные схемы. Для прототипа колонии бактерий напечатали на миниатюрных пластинах, разместив их примерно в 5 миллиметрах друг от друга. Механизм основан на семействе молекул, которое давно применяется в биохимических исследованиях. Одна молекула выступает переключателем, вторая служит мишенью и указывает, активен ли этот переключатель. При наличии молекулы-мишени транзистор вырабатывает выходную молекулу, которая передается следующему элементу цепочки.
Испытания показали, что схема способна выполнять целый ряд логических операций всего на 5 штаммах, а самая крупная собранная конструкция объединила 24 бактериальные колонии. Ограничений у технологии хватает: колонии остаются живыми организмами и со временем растут и меняются, скорость работы упирается в естественную диффузию молекул между колониями, а весь живой компьютер функционирует около 3 суток. Офисным машинам такая разработка не конкурент, зато в сельском хозяйстве применение выглядит вполне реальным. Схему можно разместить у корней растений, чтобы отслеживать стрессовые состояния и автономно реагировать на вредителей или другие угрозы окружающей среды.
Кристофер Фойт отметил, что работа показывает возможность продвижения к более сложным функциям путем связывания простых функций в отдельных клетках. С вычислительной точки зрения нет ничего, что мог бы сделать современный смартфон и не смогли бы сделать эти схемы. Несмотря на прогресс, до практического применения технологии еще далеко, и исследователям предстоит решить множество инженерных задач по увеличению скорости работы и стабильности биологических компонентов.