Τι θα γινόταν αν μια ηλεκτρονική πλακέτα μπορούσε να αποτελείται όχι από πυρίτιο και μέταλλο, αλλά από ζωντανούς μικροοργανισμούς; Ερευνητές του Τεχνολογικού Ινστιτούτου Μασαχουσέτης (MIT) έκαναν ένα σημαντικό βήμα προς αυτή την κατεύθυνση, προγραμματίζοντας γενετικά βακτήρια ώστε να λειτουργούν σαν τρανζίστορ και να μεταδίδουν βιολογικά σήματα.
Η νέα προσέγγιση δημιουργεί ουσιαστικά μια μορφή «ζωντανής πλακέτας κυκλωμάτων», όπου διαφορετικές βακτηριακές αποικίες αναλαμβάνουν ξεχωριστές λειτουργίες και επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω χημικών σημάτων.
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο Nature Chemical Biology, δείχνει ότι τέτοια κυκλώματα μπορούν να επεξεργάζονται πολλαπλά σήματα, να εκτελούν λογικές πράξεις και να κατευθύνουν πληροφορίες προς διαφορετικές εξόδους.
Όταν τα βακτήρια παίρνουν τον ρόλο των τρανζίστορ
Στα ηλεκτρονικά, το τρανζίστορ αποτελεί βασικό δομικό στοιχείο ενός κυκλώματος, καθώς μπορεί να λειτουργεί ως διακόπτης και να ελέγχει τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος.
Οι ερευνητές του MIT μετέφεραν αυτή την ιδέα στη βιολογία. Αντί για ηλεκτρικό ρεύμα, τα βακτήρια χειρίζονται μικρά μόρια που λειτουργούν ως χημικά σήματα. Με αυτόν τον τρόπο, μια βακτηριακή αποικία μπορεί να λαμβάνει μια πληροφορία, να την επεξεργάζεται και να μεταδίδει ένα νέο σήμα στην επόμενη αποικία.
Η ομάδα δημιούργησε δύο τύπους βακτηριακών «τρανζίστορ» και τρία ακόμη στελέχη που λειτουργούν ως ενδιάμεσοι αναμεταδότες. Ο συνδυασμός τους επιτρέπει τη δημιουργία διαφορετικών αρχιτεκτονικών κυκλωμάτων.
Το σύστημα βασίζεται στο Pantoea agglomerans, ένα βακτήριο που απαντάται σε φυτά και στο περιβάλλον. Οι δύο βασικές παραλλαγές του συστήματος ανταποκρίνονται στο μόριο OC-6 με αντίθετο τρόπο. Η μία ενεργοποιείται παρουσία του μορίου, ενώ η άλλη απενεργοποιείται.
Παράλληλα, τα βακτήρια μπορούν να ανιχνεύσουν ένα δεύτερο μόριο, το OC-12. Ανάλογα με την κατάσταση του κυκλώματος, παράγουν το OHC-14, το οποίο μεταφέρει την πληροφορία στο επόμενο στάδιο.
Αντί για καλώδια, χημικά σήματα
Το πιο ενδιαφέρον στοιχείο της τεχνολογίας είναι ο τρόπος με τον οποίο «συνδέονται» τα επιμέρους εξαρτήματα.
Σε πολλά κυκλώματα συνθετικής βιολογίας, όλες οι λειτουργίες είναι ενσωματωμένες στο ίδιο κύτταρο. Αυτό μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα, καθώς διαφορετικά τμήματα του κυκλώματος ανταγωνίζονται για τους ίδιους κυτταρικούς πόρους και μπορεί να αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.
Η ομάδα του MIT ακολούθησε διαφορετικό μοντέλο: κάθε βακτηριακός πληθυσμός αναλαμβάνει μία συγκεκριμένη λειτουργία, όπως ακριβώς ένα ξεχωριστό εξάρτημα σε μια ηλεκτρονική πλακέτα.
Τρία επιπλέον στελέχη Pantoea agglomerans σχεδιάστηκαν ώστε να λειτουργούν ως αναμεταδότες. Μετατρέπουν το OHC-14 σε ένα νέο χημικό σήμα, το οποίο μπορεί να μεταδοθεί στο επόμενο τμήμα του κυκλώματος.
Οι βακτηριακές αποικίες τοποθετήθηκαν πάνω σε πλάκες άγαρ, σε απόσταση περίπου πέντε χιλιοστών μεταξύ τους. Η συγκεκριμένη διάταξη περιορίζει την ανεξέλεγκτη διάχυση των μορίων και επιτρέπει στα σήματα να ακολουθούν συγκεκριμένες διαδρομές.
Με άλλα λόγια, το άγαρ και οι αποικίες λειτουργούν σαν μια βιολογική εκδοχή πλακέτας κυκλωμάτων, όπου τα χημικά σήματα αντικαθιστούν τα ηλεκτρικά και οι βακτηριακές αποικίες τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα.
Από λογικές πράξεις έως κυκλώματα 24 αποικιών
Τα πειράματα έδειξαν ότι το σύστημα μπορεί να εκτελεί διαφορετικές λογικές λειτουργίες και να συνδυάζει δύο ή τρία εισερχόμενα σήματα.
Οι ερευνητές δημιούργησαν επίσης πιο σύνθετες διατάξεις, ικανές να επεξεργάζονται πολλαπλές εισόδους και να λειτουργούν ως αποπολυπλέκτες. Πρόκειται για κυκλώματα που μπορούν να κατευθύνουν ένα εισερχόμενο σήμα προς μία από περισσότερες πιθανές εξόδους, ανάλογα με τις συνθήκες.
Το μεγαλύτερο σύστημα που παρουσιάστηκε στη μελέτη αποτελούνταν από 24 συνδεδεμένες βακτηριακές αποικίες.
Η επίδοση αυτή δείχνει ότι η προσέγγιση μπορεί να επεκταθεί πέρα από απλές βιολογικές αντιδράσεις και να οδηγήσει σε πιο σύνθετα δίκτυα επεξεργασίας πληροφοριών.
Αργοί υπολογιστές, νέες δυνατότητες για ζωντανούς οργανισμούς
Υπάρχει, βέβαια, μια τεράστια διαφορά από τα συμβατικά ηλεκτρονικά: η ταχύτητα.
Ένας υπολογισμός στο βακτηριακό σύστημα χρειάζεται περίπου οκτώ ώρες. Για έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή αυτό είναι εξαιρετικά αργό. Οι ερευνητές, όμως, δεν προσπαθούν να δημιουργήσουν έναν ανταγωνιστή των σύγχρονων επεξεργαστών.
Ο στόχος είναι διαφορετικός. Να καταστεί δυνατή η επεξεργασία πληροφοριών μέσα σε ζωντανά συστήματα.
Μία πιθανή εφαρμογή βρίσκεται στη γεωργία. Στο μέλλον, αντίστοιχα βιολογικά κυκλώματα θα μπορούσαν να ενσωματώνονται σε φυτά και να ανιχνεύουν περιβαλλοντικές μεταβολές, όπως έλλειψη νερού ή προσβολές από παράσιτα.
Το κύκλωμα θα μπορούσε στη συνέχεια να ενεργοποιεί μια συγκεκριμένη βιολογική αντίδραση, όπως την παραγωγή μιας ουσίας με αντιμυκητιακή δράση.
Για έναν υπολογιστή που λειτουργεί μέσα σε έναν ζωντανό οργανισμό, η ολοκλήρωση μιας διαδικασίας σε λίγες ώρες μπορεί να μην αποτελεί περιορισμό. Ο ρυθμός ενός φυτού, άλλωστε, μετριέται σε ώρες και ημέρες και όχι σε νανοδευτερόλεπτα.
Η έρευνα ανοίγει έτσι έναν διαφορετικό δρόμο για τη συνθετική βιολογία: αντί οι υπολογιστικές λειτουργίες να πραγματοποιούνται απλώς για έναν ζωντανό οργανισμό, στο μέλλον θα μπορούσαν να πραγματοποιούνται μέσα στον ίδιο τον οργανισμό.