В обычной электронике транзистор управляет прохождением электрического тока и является базовым элементом вычислительных схем. В новой системе его роль выполняют генетически модифицированные бактерии Pantoea agglomerans. Вместо электрических сигналов они используют небольшие сигнальные молекулы, которые передаются от одной бактериальной колонии к другой.
Исследование опубликовано в журнале Nature Chemical Biology.
Бактерии работают как транзисторы
Исследователи создали два типа бактериальных транзисторов, реагирующих на молекулу OC-6. Один из них активируется при наличии сигнала, другой, напротив, выключается. Оба типа транзисторов способны обнаруживать другую молекулу — OC-12 — и в зависимости от комбинации входных сигналов производить выходную молекулу OHC-14.
Для передачи этого сигнала между элементами ученые разработали еще три бактериальных штамма. Они работают как своеобразные биологические реле, преобразуя сигнал одного элемента в сигнал, который может использовать следующий транзистор.
Таким образом, отдельные бактериальные колонии можно соединять в цепи по принципу электронных схем.
«Биологические платы» печатают на агаре
Для создания схем исследователи размещали колонии бактерий на агаровой поверхности. Расстояние между соседними колониями составляло около 5 мм, благодаря чему сигнальные молекулы могли передаваться преимущественно ближайшему элементу.
Комбинируя пять разработанных штаммов, ученые получили набор базовых строительных блоков для создания более сложных биологических схем.
Экспериментальные конструкции смогли выполнять несколько типов логических операций, включая многовходовые операции, логическое «ИЛИ» и импликацию. Исследователи также собрали схемы для сложения сигналов, параллельной обработки нескольких входов и демультиплексирования — выбора одного из нескольких направлений передачи сигнала.
Самая крупная продемонстрированная схема объединяла 24 бактериальные колонии.
Вычисления за восемь часов
Главным ограничением технологии пока остается скорость. Одна вычислительная операция занимает около восьми часов, тогда как электронные процессоры выполняют аналогичные операции за ничтожные доли секунды.
Однако исследователи не рассматривают бактериальные схемы как конкурента обычным компьютерам. Их задача заключается в том, чтобы добавить вычислительные возможности непосредственно в живые системы.
В перспективе такие схемы можно размещать на растениях или в их корневой системе. Бактериальная сеть сможет обнаруживать признаки засухи, заболеваний или атак вредителей и запускать соответствующую биологическую реакцию.
Например, обнаружение определенного набора молекулярных сигналов может активировать синтез вещества, защищающего растение от патогенов.
По словам ученых, ключевое преимущество подхода заключается в масштабируемости: вместо попытки создать сложную генетическую схему внутри одной клетки вычислительная система распределяется между множеством специализированных клеток. Это позволяет создавать более сложные биологические цепи без чрезмерной нагрузки на клеточные механизмы.
Таким образом, работа MIT демонстрирует принципиально иной подход к биологическим вычислениям — не создание компьютера из электронных компонентов, а внедрение вычислительной логики непосредственно в живую среду.
Источник: https://www.technologynetworks.com/tn/news/living-bacterial-circuits-mimic-electronic-transistors-41...Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
