Инженеры MIT напечатали «живую плату» из 24 колоний бактерий

Инженеры MIT собрали из генетически модифицированных бактерий логические схемы, способные направлять сигналы и складывать входные биты. Самая крупная установка состояла из 24 колоний. Но «плата» и «транзисторы» здесь — только функциональные аналогии: кремния, металлических дорожек и электрического тока в чашке Петри нет.

Результаты работы опубликованы в Nature Chemical Biology. Авторы не создавали замену процессору — они показали, как запрограммировать пространственное взаимодействие живых клеток.

Основой системы стали бактерии Pantoea agglomerans, которые часто встречаются на поверхности растений. Исследователи создали пять вычислительных штаммов: два выполняют функции, похожие на N- и P-транзисторы, ещё три работают как химические реле.

Из этих компонентов собрали демультиплексор 1-to-4, полусумматор и полный сумматор. Демультиплексор направляет один входной сигнал по одному из четырёх маршрутов, а сумматоры выполняют операции с двоичными входами. В крупнейшем эксперименте два бита складывала схема из 24 бактериальных колоний.

В обычной электронике транзистор открывает или перекрывает электрический ток. Здесь колонии управляют распространением сигнальных молекул. Поэтому слова «транзистор», «проводник» и «плата» описывают роль элементов, а не их физическое устройство.

Источники — nature chemical biology и MIT News.

Информацию кодируют концентрации небольших сигнальных молекул. Входное вещество распространяется через агар, достигает соседней колонии и активирует в ней заданные гены. Бактерии начинают производить следующую молекулу, которая передаёт результат дальше.

Два основных штамма реагируют на OC-6 как N- и P-транзисторы: один включается при наличии сигнала, другой — при его отсутствии. Одновременно они учитывают второй вход OC-12 и при нужной комбинации производят OHC-14.

Затем в работу вступают три релейных штамма. Они принимают OHC-14 и преобразуют его через промежуточные реакции в OC-12 или OC-6 — сигналы, которые понимает следующий «транзистор». Получается химическая цепочка:

OHC-14 → RDI → DAPG → RIS/RIG → OC-12/OC-6

Каждое реле переводит вход в новый химический сигнал. Из-за этого направленная логическая связь возникает даже при том, что сами вещества диффундируют по агаровой среде во все стороны.

Для новой операции не требуется снова изменять геном бактерий. Достаточно по-другому расположить пять уже подготовленных штаммов. Именно пространственный рисунок определяет, будет система работать как переключатель, демультиплексор или сумматор.

Исследователи рассматривают такие схемы как основу для биосенсоров, управления биосинтезом и логических систем, работающих на растениях или в почве. Бактериальная сеть могла бы реагировать не на один признак, а только на определённую комбинацию химических или биологических сигналов.

Например, будущая система теоретически сможет запускать производство нужного вещества лишь при одновременном обнаружении нескольких факторов. Для сельского хозяйства авторы обсуждают распознавание стресса растения и последующий синтез защитного соединения.

Работа MIT демонстрирует программируемую пространственную биологическую логику, а не живую замену компьютеру. Её сильная сторона — способность проводить вычисление непосредственно внутри биологической среды, где обычной электронике потребовались бы отдельные датчики и исполнительные механизмы.