Ερευνητές του MIT έχουν κατασκευάσει βακτήρια ώστε να συμπεριφέρονται σαν τρανζίστορ, καθιστώντας δυνατή την κατασκευή ζωντανών «κυκλωμάτων» που μπορούν να εκτυπωθούν σε υλικό ανάπτυξης σε τρυβλίο Petri.
Η κατασκευή του τρανζίστορ
Στα συμβατικά ηλεκτρονικά, τα τρανζίστορ λειτουργούν ως διακόπτες που ελέγχουν εάν ρέει ηλεκτρικό ρεύμα. Στο βιολογικό σύστημα που αναπτύχθηκε στο MIT, τα τροποποιημένα βακτήρια εκτελούν παρόμοιο ρόλο ρυθμίζοντας την κίνηση μικρών μορίων σηματοδότησης που μεταφέρουν πληροφορίες σε άλλα μέρη του κυκλώματος.
Η ομάδα δημιούργησε δύο τύπους βακτηριακών τρανζίστορ και τρία επιπλέον βακτηριακά στελέχη που λειτουργούν ως ρελέ μεταξύ τους. Μαζί, αυτά τα πέντε στελέχη παρέχουν ένα ευέλικτο σύνολο εργαλείων που μπορεί να ταξινομηθεί σε πολλά διαφορετικά σχέδια κυκλωμάτων. Στη νέα τους μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το σύστημα για να κατασκευάσουν κυκλώματα ικανά να συνδυάζουν δύο ή τρεις εισόδους, καθώς και να κατευθύνουν ένα εισερχόμενο σήμα σε έναν επιλεγμένο προορισμό μέσα στο κύκλωμα.
«Έχουμε κατασκευάσει ορισμένα αρχικά στοιχεία αρχιτεκτονικής υπολογιστή που χρησιμοποιούνται συνήθως, αλλά οποιαδήποτε λειτουργία μπορεί να κατασκευαστεί με αυτά τα πέντε στελέχη», λέει ο Hamid Doosthosseini, PhD '25, μεταδιδακτορικός στο MIT και κύριος συγγραφέας της νέας μελέτης.
Ζωντανά Κυκλώματα Θα μπορούσαν να Προστεθούν στα Φυτά
Οι ερευνητές ελπίζουν τελικά να δημιουργήσουν βιολογικά κυκλώματα που θα μπορούσαν να τοποθετηθούν σε φύλλα ή ρίζες φυτών. Αυτά τα κυκλώματα θα μπορούσαν να επεξεργάζονται πληροφορίες σχετικά με τις μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες, συμπεριλαμβανομένης της ξηρασίας ή των επιθέσεων από παράσιτα, και στη συνέχεια να βοηθούν στην ενεργοποίηση μιας κατάλληλης απόκρισης.
Ο Christopher Voigt, επικεφαλής του Τμήματος Βιολογικής Μηχανικής του MIT, είναι ο κύριος συγγραφέας της εργασίας, η οποία δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο Nature Chemical Biology. Ο πρώην μεταδιδακτορικός ερευνητής του MIT, Haorong Chen, είναι επίσης συγγραφέας της εργασίας.
Μετατροπή Κυττάρων σε Βιολογικά Τρανζίστορ
Τα κυκλώματα συνθετικής βιολογίας συνήθως κατασκευάζονται από μηχανικά κύτταρα για την παραγωγή πρωτεϊνών και παραγόντων μεταγραφής που αλληλεπιδρούν με συγκεκριμένους τρόπους. Ένα κύκλωμα μπορεί, για παράδειγμα, να ανιχνεύσει ένα μόριο-στόχο και στη συνέχεια να ενεργοποιήσει την παραγωγή μιας συγκεκριμένης εξόδου.
Αυτά τα συστήματα μπορούν να εκτελέσουν διάφορα είδη λογικών λειτουργιών, αλλά αντιμετωπίζουν σημαντικούς περιορισμούς. Για να αποτρέψουν ανεπιθύμητες αλληλεπιδράσεις μέσα σε ένα κύκλωμα, οι ερευνητές γενικά χρειάζονται διαφορετικούς παράγοντες μεταγραφής για διαφορετικές λειτουργίες. Επειδή είναι διαθέσιμος μόνο ένας περιορισμένος αριθμός κατάλληλων παραγόντων μεταγραφής, υπάρχει ένα ανώτατο όριο στο πόσο περίπλοκο μπορεί να γίνει ένα κύκλωμα μέσα σε ένα κύτταρο. Η συσσώρευση πάρα πολλών κυκλωμάτων σε ένα μόνο κύτταρο μπορεί επίσης να επιβαρύνει τον μηχανισμό που χρησιμοποιεί το κύτταρο για την παραγωγή πρωτεϊνών.
Ζωντανά Τρανζίστορ MIT
Οι ερευνητές δημιούργησαν τα κυκλώματά τους εκτυπώνοντας αποικίες βακτηρίων σε πλάκες που περιείχαν άγαρ, ένα μέσο ανάπτυξης. Αυτό το GIF δείχνει ένα timelapse των βακτηρίων που αναπτύσσονται σε διάστημα 7 ημερών. Πίστωση: Ευγενική προσφορά των ερευνητών
Η ομάδα του MIT προσέγγισε το πρόβλημα διαφορετικά. Αντί να τοποθετήσουν ένα ολόκληρο κύκλωμα μέσα σε ένα κύτταρο, κατασκεύασαν μεμονωμένα κύτταρα ώστε να λειτουργούν ως εξαρτήματα τύπου τρανζίστορ. Αυτά τα κύτταρα μπορούν στη συνέχεια να διαταχθούν σε διαφορετικούς συνδυασμούς για να δημιουργήσουν ένα ευρύτερο φάσμα κυκλωμάτων.
Για τα τρανζίστορ, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα βακτήριο που ονομάζεται Pantoea agglomerans, το οποίο συνήθως αναπτύσσεται σε επιφάνειες, συμπεριλαμβανομένων των φυτών. Κατασκεύασαν δύο μορφές του βακτηριακού τρανζίστορ, και οι δύο ελεγχόμενες από ένα μόριο που ονομάζεται OC-6. Το ένα ενεργοποιείται από το OC-6, ενώ το άλλο απενεργοποιείται.
Κάθε τρανζίστορ μπορεί επίσης να ανιχνεύσει ένα άλλο μόριο, το OC-12. Ανάλογα με το αν υπάρχει OC-12 και αν το τρανζίστορ είναι ενεργό, το κύτταρο παράγει ένα μόριο σηματοδότησης γνωστό ως OHC-14.
Συνδέοντας Βακτηριακές Αποικίες
Η ομάδα κατασκεύασε επίσης τρία στελέχη Pantoea agglomerans για να λειτουργούν ως βιολογικά ρελέ. Αυτά τα στελέχη μετατρέπουν το σήμα OHC-14 σε μια νέα έξοδο που μπορεί στη συνέχεια να μεταδοθεί σε ένα άλλο τρανζίστορ. Με αυτόν τον τρόπο, οι ερευνητές μπορούν να «συνδέσουν» τα βακτηριακά συστατικά μαζί με τρόπο παρόμοιο με τη διάταξη μιας ηλεκτρονικής πλακέτας κυκλώματος.
Μια πιθανή διάταξη είναι ένας αμφίδρομος διακόπτης. Δύο τρανζίστορ μπορούν να ανιχνεύσουν το OC-12 και στη συνέχεια να δρομολογήσουν αυτές τις πληροφορίες προς διαφορετικά στελέχη ρελέ ανάλογα με μια ξεχωριστή είσοδο διακόπτη. Το σήμα μπορεί στη συνέχεια να μετακινηθεί σε επιπλέον τρανζίστορ που συνεχίζουν να επεξεργάζονται τις πληροφορίες.
Για να κατασκευάσουν τα κυκλώματα φυσικά, οι ερευνητές εκτύπωσαν βακτηριακές αποικίες σε πλάκες που περιείχαν άγαρ, ένα μέσο ανάπτυξης. Γειτονικές αποικίες τοποθετήθηκαν σε απόσταση περίπου 5 χιλιοστών μεταξύ τους.
Αυτή η απόσταση είναι σημαντική επειδή περιορίζει την απόσταση που μπορεί να ταξιδέψει κάθε χημικό σήμα. Ένα σήμα φτάνει μόνο στην πλησιέστερη αποικία, η οποία στη συνέχεια μπορεί να μεταδώσει πληροφορίες στο επόμενο στοιχείο. Αυτό δημιουργεί μια ελεγχόμενη διαδρομή που επιτρέπει στις πληροφορίες να κινούνται μέσω του κυκλώματος προς μία κατεύθυνση.
Βακτηριακά Κυκλώματα Εκτελούν Λογικές Λειτουργίες
Οι ερευνητές έδειξαν ότι ένα μόνο τρανζίστορ θα μπορούσε να εκτελέσει διάφορα είδη λογικών λειτουργιών ανάλογα με τη θέση του στο κύκλωμα, συμπεριλαμβανομένων των πυλών «πολλαπλών εισόδων», «ή» και «υπονοούμενων».
Συνδύασαν επίσης τρανζίστορ σε πιο προηγμένα συστήματα. Αυτά τα κυκλώματα ήταν σε θέση να προσθέσουν δύο σήματα, να επεξεργαστούν μεγαλύτερο αριθμό σημάτων στο ταυτόχρονα, και λειτουργεί ως αποπολυπλεκτής. Ένας αποπολυπλεκτής λαμβάνει ένα εισερχόμενο σήμα και το κατευθύνει προς μία από τις διάφορες πιθανές εξόδους ανάλογα με ένα σήμα ελέγχου.
Το μεγαλύτερο κύκλωμα που παρουσιάστηκε στη μελέτη περιείχε 24 συνδεδεμένες βακτηριακές αποικίες και σχεδιάστηκε για να προσθέτει δύο εισόδους μαζί.
«Αυτή η εργασία δείχνει ότι μπορούμε να φτάσουμε σε πιο περίπλοκες λειτουργίες συνδέοντας απλούστερες λειτουργίες σε μεμονωμένα κύτταρα», λέει ο Voigt. «Υπολογιστικά, δεν υπάρχει τίποτα που μπορεί να κάνει το iPhone σας που δεν θα μπορούσαν να κάνουν αυτά τα κυκλώματα».
Αργός Υπολογισμός με Βιολογικό Σκοπό
Αυτά τα ζωντανά κυκλώματα είναι δραματικά πιο αργά από τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Κάθε υπολογισμός διαρκεί περίπου οκτώ ώρες για να ολοκληρωθεί. Για τα είδη βιολογικών εφαρμογών που έχει κατά νου η ομάδα, ωστόσο, αυτή η ταχύτητα μπορεί να είναι περισσότερο από επαρκής.
«Δεν προσπαθούμε να αντικαταστήσουμε τους υπολογιστές, αλλά μάλλον να βάλουμε τον υπολογιστικό έλεγχο στη βιολογία. Εάν έχετε βακτήρια στη ρίζα ενός φυτού ή το ίδιο το φυτό κάνει τους υπολογισμούς, η εκτέλεση ενός απλού υπολογισμού όλη τη νύχτα είναι αρκετά γρήγορη σε σχέση με μια περίοδο ανάπτυξης», λέει ο Voigt.
Στη γεωργία, τέτοια κυκλώματα θα μπορούσαν τελικά να τοποθετηθούν στις ρίζες των φυτών για την ανίχνευση διαφορετικών μορφών στρες. Όταν ανιχνεύεται ένα συγκεκριμένο σήμα, το κύκλωμα θα μπορούσε να προκαλέσει μια βιολογική απόκριση, όπως η παραγωγή ενός μυκητοκτόνου.
www.worldenergynews.gr
