Bakterie działają jak tranzystory. Powstał z nich żywy komputer

Zamiast krzemu są żywe komórki, zamiast przewodów cząsteczki przemieszczające się między koloniami. Inżynierowie z MIT zmodyfikowali bakterie tak, aby działały jak podstawowe elementy układów elektronicznych. Po połączeniu ich w większe struktury powstały żywe obwody zdolne do wykonywania rzeczywistych operacji logicznych.

W klasycznej elektronice tranzystor działa po prostu jak niezwykle szybki przełącznik. Odpowiedni sygnał decyduje, czy umożliwia przepływ prądu, czy go blokuje. Łącząc miliardy takich elementów, można budować procesory wykonujące kolejne operacje logiczne. Bakterie stworzone przez badaczy robią coś podobnego, tyle że nie sterują przepływem elektronów.

Do eksperymentu wykorzystano Pantoea agglomerans, gatunek bakterii występujący m.in. na powierzchniach roślin. Zespół przygotował dwa rodzaje biologicznych tranzystorów. Do ich włączania i wyłączania służy określona cząsteczka sygnałowa, a bakteria równocześnie może wykrywać obecność kolejnej substancji.

W zależności od kombinacji otrzymanych sygnałów komórka produkuje następną cząsteczkę. Ta rozchodzi się w podłożu i dociera do sąsiedniej kolonii. W elektronicznym układzie mamy więc napięcia i przewody. Tutaj ich odpowiednikami stają się chemiczne komunikaty przesyłane pomiędzy żywymi komórkami.

Największy problem biologicznych komputerów od dawna tak naprawdę polega na ich skalowaniu. Można genetycznie zmodyfikować pojedynczą komórkę tak, aby reagowała na określony bodziec i wykonywała prostą operację. Im więcej funkcji próbuje się jednak umieścić w jednej bakterii, tym szybciej wszystko zaczyna się komplikować.

Poszczególne mechanizmy mogą na siebie oddziaływać, a komórka ma ograniczone możliwości produkowania białek potrzebnych do wykonania wszystkich instrukcji. Zespół MIT odwrócił więc problem. Zamiast tworzyć jedną niezwykle skomplikowaną bakterię, podzielił obliczenia pomiędzy wiele prostszych kolonii.

Oprócz dwóch rodzajów tranzystorów powstały trzy szczepy działające jak przekaźniki. Odbierają one sygnał chemiczny i zamieniają go na kolejny, który może zostać przekazany następnemu elementowi układu. Łącznie wystarczyło więc 5 rodzajów zmodyfikowanych bakterii, aby budować różne konfiguracje obliczeniowe.

Aby zmienić wykonywaną operację, nie trzeba za każdym razem ponownie modyfikować DNA bakterii. Można wykorzystać dokładnie te same 5 szczepów, a następnie po prostu inaczej rozmieścić ich kolonie. Programowanie zaczyna więc przypominać układanie klocków.

Kolonie są nanoszone na agar, czyli galaretowate podłoże umożliwiające wzrost mikroorganizmów. Służy do tego precyzyjne urządzenie dozujące mikroskopijne ilości cieczy. Poszczególne skupiska bakterii znajdują się około 5 mm od siebie. Odległość dobrano tak, aby cząsteczki sygnałowe docierały przede wszystkim do najbliższego sąsiada. Dzięki odpowiedniemu rozmieszczeniu kolonii informacja może przemieszczać się przez obwód w zaplanowanym kierunku. To biologiczny odpowiednik projektowania ścieżek na płytce drukowanej.

Naukowcy skonstruowali w ten sposób m.in. bramki obsługujące kilka sygnałów wejściowych, demultiplekser oraz sumatory. Demultiplekser przyjmuje jeden sygnał i w zależności od dodatkowej informacji sterującej wysyła go do jednego z kilku możliwych wyjść. Sumator jest natomiast układem wykonującym podstawowe dodawanie binarne – jednym z elementów, na których opiera się normalna elektronika cyfrowa. Największy zaprezentowany obwód zawierał 24 kolonie bakterii.

Nie oznacza to oczywiście, że właśnie powstał konkurent dla procesora w naszym telefonie. Typowy tranzystor elektroniczny może zmieniać stan niewyobrażalnie szybko. W przypadku układu bakteryjnego cząsteczki muszą zostać wyprodukowane, wydzielone, przemieścić się przez podłoże, dotrzeć do kolejnej kolonii i wywołać w niej odpowiednią reakcję biologiczną. W rezultacie pojedyncze obliczenie trwa około 8 godz.

Brzmi to absurdalnie wolno, jeżeli porównamy je z komputerem. Tyle że badacze wcale nie chcą na bakteriach uruchamiać systemu operacyjnego czy renderować grafiki. Ich celem jest umieszczenie zdolności do wykonywania prostych obliczeń bezpośrednio wewnątrz systemów biologicznych. W takim zastosowaniu 8 godz. może być zupełnie wystarczające. Roślina nie podejmuje przecież decyzji w nanosekundach.

Jednym z potencjalnych zastosowań tego rozwiązania jest rolnictwo. Zmodyfikowane bakterie mogłyby zasiedlać powierzchnię liści albo korzeni i przez cały czas obserwować środowisko rośliny. Pojedynczy czujnik biologiczny potrafiłby wykryć np. określoną substancję. Znacznie ciekawsze możliwości pojawiają się jednak wtedy, gdy system otrzyma kilka sygnałów i najpierw wykona na nich operację logiczną.

Bakterie mogłyby reagować dopiero na konkretną kombinację warunków wskazującą na suszę, niedobór składników odżywczych albo atak patogenu. Wynikiem obliczenia nie musiałoby być przy tym wyświetlenie cyfry na ekranie. Układ mógłby uruchomić biologiczną reakcję, np. rozpocząć produkcję substancji chroniącej roślinę przed grzybem.

Niedawno pisaliśmy na Spider’s Web o tworzywie zawierającym żywe bakterie, które po odpowiednim uruchomieniu pomagają rozłożyć materiał. W obu przypadkach organizm przestaje być tylko czymś hodowanym w laboratorium i zaczyna pełnić zaprojektowaną przez człowieka funkcję techniczną.

Nowy układ z MIT jest jednak nadal tylko demonstratorem laboratoryjnym. 24 kolonie na agarowej płytce nie są pełnoprawnym komputerem porównywalnym ze współczesną elektroniką. Znacznie trafniej można mówić o żywej płytce logicznej, na której udało się zbudować kilka podstawowych elementów architektury obliczeniowej.

Przeczytaj także:

Przełom tkwi jednak gdzie indziej. Zamiast za każdym razem projektować nową, coraz bardziej skomplikowaną komórkę, można stworzyć niewielki zestaw biologicznych komponentów, a potem łączyć je w coraz większe układy.

Elektronikę krzemową rozwinęliśmy właśnie dzięki podobnej zasadzie: proste elementy stały się naprawdę potężne dopiero wtedy, gdy nauczyliśmy się łączyć ich ogromne liczby. Bakteriom do miliardów tranzystorów jeszcze niewyobrażalnie daleko. Po raz pierwszy zaczynają jednak przypominać nie pojedynczą sztuczkę biologiczną, lecz zestaw klocków, z których można budować coraz bardziej skomplikowane obliczenia.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI