MIT: Επιστήμονες μετέτρεψαν βακτήρια σε «ζωντανά τρανζίστορ»

Μία εντυπωσιακή προσέγγιση στον χώρο της συνθετικής βιολογίας παρουσιάζουν ερευνητές του MIT, οι οποίοι κατάφεραν να χρησιμοποιήσουν βακτήρια ως λειτουργικά στοιχεία βιολογικών κυκλωμάτων. Τα αποκαλούμενα «ζωντανά τραζίστορ» μπορούν να επεξεργάζονται απλές πληροφορίες και να επικοινωνούν μεταξύ τους χρησιμοποιώντας χημικά μόρια αντί για ηλεκτρικό ρεύμα.

Η τεχνολογία βρίσκεται ακόμη σε ερευνητικό επίπεδο και απέχει πολύ από το να ανταγωνιστεί έναν συμβατικό υπολογιστή. Η πιθανή αξία της, όμως, βρίσκεται σε εντελώς διαφορετικές εφαρμογές, όπως η γεωργία και η περιβαλλοντική παρακολούθηση.

Βακτήρια αντί για πυρίτιο

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το βακτήριο Pantoea agglomerans και δημιούργησαν διαφορετικά βιολογικά στοιχεία που μπορούν να συνδυαστούν σε κυκλώματα.

Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκαν δύο διαφορετικοί τύποι βακτηριακών «τρανζίστορ» και τρία relay strains, δημιουργώντας συνολικά πέντε διαφορετικά βιολογικά components.

Η βασική ιδέα θυμίζει ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα ως προς τη λογική λειτουργίας, αλλά ο τρόπος μετάδοσης της πληροφορίας είναι εντελώς διαφορετικός.

Πώς λειτουργεί ένα βακτηριακό τρανζίστορ;

Σε ένα συμβατικό ηλεκτρονικό κύκλωμα, τα σήματα μεταδίδονται μέσω ηλεκτρικού ρεύματος.

Στα βιολογικά κυκλώματα του MIT, η πληροφορία μεταφέρεται μέσω μικρών χημικών μορίων.

Κάθε αποικία βακτηρίων μπορεί να ανιχνεύει συγκεκριμένα χημικά σήματα. Αν πληρούνται οι κατάλληλες προϋποθέσεις, ενεργοποιείται και παράγει ένα νέο μόριο.

Το νέο μόριο ταξιδεύει στη συνέχεια προς την επόμενη βακτηριακή αποικία, όπου λειτουργεί ως νέο input.

Έτσι δημιουργείται μία αλυσίδα βιολογικής επεξεργασίας πληροφοριών.

Τα βακτήρια τυπώθηκαν σε Petri dishes

Για να ελέγξουν καλύτερα τη συμπεριφορά των κυκλωμάτων, οι επιστήμονες τοποθέτησαν τις βακτηριακές αποικίες σε Petri dishes, διατηρώντας συγκεκριμένες αποστάσεις μεταξύ τους.

Η απόσταση έχει σημασία επειδή τα χημικά μόρια χρειάζονται χρόνο για να κινηθούν από τη μία αποικία στην άλλη.

Με τον τρόπο αυτό, οι ερευνητές κατάφεραν να κατασκευάσουν διαφορετικές διατάξεις και να μελετήσουν τον τρόπο με τον οποίο το χημικό «σήμα» περνά από το ένα στοιχείο στο επόμενο.

Από λογικές πύλες μέχρι demultiplexer

Τα πειράματα δεν περιορίστηκαν σε μία απλή ενεργοποίηση και απενεργοποίηση.

Οι ερευνητές δημιούργησαν logic gates, κυκλώματα που μπορούν να συνδυάζουν δύο ή τρία inputs, καθώς και ένα σύστημα τύπου demultiplexer.

Το μεγαλύτερο πειραματικό σύστημα αποτελούνταν από 24 συνδεδεμένες βακτηριακές αποικίες.

Για ένα βιολογικό σύστημα επεξεργασίας πληροφοριών, η δυνατότητα δημιουργίας τέτοιων σύνθετων διατάξεων αποτελεί σημαντικό ερευνητικό βήμα.

Το μεγάλο μειονέκτημα: 8 ώρες για έναν υπολογισμό

Υπάρχει φυσικά ένας τεράστιος περιορισμός.

Ένας υπολογισμός μπορεί να χρειάζεται περίπου οκτώ ώρες για να ολοκληρωθεί.

Σε σύγκριση με τα ηλεκτρονικά κυκλώματα, όπου οι λειτουργίες πραγματοποιούνται σε απειροελάχιστα κλάσματα του δευτερολέπτου, η διαφορά είναι τεράστια.

Αυτό πρακτικά αποκλείει τη συγκεκριμένη τεχνολογία από εφαρμογές στις οποίες απαιτείται γρήγορη επεξεργασία.

Δεν είναι όμως απαραίτητα πρόβλημα για όλες τις πιθανές χρήσεις.

«Έξυπνα» φυτά που αντιδρούν στο περιβάλλον;

Ένας από τους μακροπρόθεσμους στόχους είναι η ενσωμάτωση παρόμοιων βιολογικών κυκλωμάτων σε ρίζες ή φύλλα φυτών.

Ένα τέτοιο σύστημα θα μπορούσε θεωρητικά να ανιχνεύει περιβαλλοντικές μεταβολές, όπως συνθήκες ξηρασίας ή την παρουσία κάποιου παθογόνου.

Στη συνέχεια, αντί να στέλνει απλώς μία ειδοποίηση, θα μπορούσε να ενεργοποιεί μια προκαθορισμένη βιολογική απόκριση, όπως την παραγωγή μιας προστατευτικής ουσίας.

Σε τέτοιες εφαρμογές, ένας χρόνος απόκρισης αρκετών ωρών μπορεί να είναι πολύ πιο αποδεκτός από ό,τι θα ήταν σε έναν συμβατικό υπολογιστή.

Συμπέρασμα

Τα ζωντανά τρανζίστορ του MIT δεν πρόκειται να αντικαταστήσουν τους επεξεργαστές πυριτίου. Ούτε αυτός φαίνεται να είναι ο πραγματικός στόχος της έρευνας.

Η σημασία τους βρίσκεται στο ότι μεταφέρουν βασικές αρχές υπολογιστικής λογικής σε ζωντανά συστήματα.

Η δυνατότητα συνδυασμού βακτηριακών αποικιών σε κυκλώματα που ανιχνεύουν inputs, λαμβάνουν απλές αποφάσεις και μεταδίδουν χημικά outputs μπορεί μελλοντικά να οδηγήσει σε εντελώς νέες εφαρμογές στη γεωργία, στη βιοτεχνολογία και στην περιβαλλοντική παρακολούθηση.