Инженеры соединили бактерии и превратили их в живые транзисторы
Ученым удалось заставить микробные клетки работать как транзисторы — базовые элементы любого электронного устройства. Эти биологические транзисторы можно комбинировать почти как детали обычной схемы, выполняя логические операции и передавая сигналы по заданному маршруту.
Светлана ЛевченкоАвтор новостей
В электронике транзистор выступает в роли переключателя: он включает и выключает ток. В своей новой работе инженеры Массачусетского технологического института (MIT) перенесли этот принцип в живую систему. В бактериальных «цепях» роль тока играют небольшие молекулы, которые клетки вырабатывают и улавливают. Бактерия‑транзистор в зависимости от входного сигнала либо запускает производство такой молекулы, либо блокирует его, тем самым «прокладывая» или «обрывая» путь сигнала к следующему элементу схемы.
Команда под руководством заведующего кафедрой биоинженерии MIT Кристофера Войгта спроектировала два типа транзисторов и три промежуточных штамма‑ «реле», которые передают сигнал от одного транзистора к другому. Всего пять штаммов образуют набор «кирпичиков», из которых, по словам ведущего автора работы Хамида Дуостхоссейни, можно собрать практически любую вычислительную схему.
Вместо классического для синтетической биологии подхода — разместить все гены и регуляторы внутрь одной клетки — ученые разбили задачу на сеть специализированных клеток. Это позволяет обойти сразу две проблемы: дефицит уникальных регуляторных белков (чтобы элементы схемы не «перекрещивались» друг с другом) и перегрузку одной клетки слишком сложной схемой.
В качестве «железа» выбрали бактерию Pantoea agglomerans, которая естественно живет на поверхностях, в том числе на растениях. Каждый из двух транзисторов реагирует на молекулу‑переключатель OC‑6: один включается, другой, напротив, выключается. Параллельно оба способны «чувствовать» другую молекулу — OC‑12. В зависимости от того, есть ли OC‑12 и в каком положении находится переключатель, клетка начинает вырабатывать выходной сигнал — молекулу OHC‑14. Три дополнительные штамма‑реле преобразуют этот сигнал в форму, понятную следующему транзистору. Так, меняя комбинации транзисторов и реле, ученые буквально «проводят дорожки» между клетками, как на плате.
Сами схемы печатают на чашках Петри: колонии бактерий наносят на агар с шагом около 5 мм. На таких расстояниях сигнальные молекулы успевают дойти только до ближайшей колонии, которая затем передает эстафету дальше — информация движется в одном направлении, как по цепочке элементов.
В рамках работы ученые показали, что один и тот же базовый транзистор может реализовать разные логические функции в зависимости от положения в схеме: в том числе многовходовые «OR» и «IMPLY»‑ворота. Объединяя элементы, инженеры собрали более сложные устройства: сумматор, складывающий два сигнала, схему, одновременно обрабатывающую несколько входов, и демультиплексор, который направляет один входящий сигнал на один из нескольких выходов в зависимости от управляющего входа. Крупнейшая из продемонстрированных схем — сумматор — включала 24 колонии, «проводами» связывающиеся через химические сигналы.
Конечно, «скорость» таких вычислений несопоставима с электроникой: на один цикл уходит порядка восьми часов. Но, как подчеркивает Войгт, задача в данном случае иная. «Мы не пытаемся заменить компьютеры, а хотим встроить вычислительный контроль в биологию», — говорит он. Для таких задач, как мониторинг состояния растения или почвы, где счет идет на дни и недели, потратить ночь на простые расчеты вполне приемлемо.
В перспективе подобные живые схемы можно будет наносить на корни или листья культурных растений, чтобы они «вычисляли», какие факторы стресса их окружают — засуха, грибок, насекомые, — и в ответ включали нужную реакцию, например синтез защитных веществ. Более широкий замысел — превратить микробные сообщества в программируемые сенсорные и управляющие системы, где форму и поведение задает не только генетика, но и пространственная организация клеток, похожая на схему на печатной плате.
Ранее ученые создали первую в мире полностью синтетическую клетку.
Поделиться
