Szilícium helyett szerves molekulák szabályozzák az információáramlást
Elektronok helyett kémiai jelmolekulákkal számoló, élő áramköröket hoztak létre pettyezett baktériumtelepekből az MIT kutatói. A génmódosított baktériumok tranzisztorként viselkedve képesek elvégezni az alapvető logikai és matematikai műveleteket. A szintetikus biológia területén elért eredményt a Nature Chemical Biology folyóiratban publikálták, ahol bemutatták, miként válhat egy Petri-csésze alján tenyésztett mikrobiális hálózat működő biológiai számítógéppé.
A hagyományos számítástechnikában a tranzisztorok apró kapcsolóként funkcionálnak, amelyek az elektromos áram áramlását nyitják vagy zárják. A Massachusetts Institute of Technology (MIT) biológiai mérnöki tanszékének szakemberei ezt az elvet ültették át a mikrobák világába. A Christopher Voigt vezette kutatócsoport a Pantoea agglomerans nevű baktériumfajt használta fel, amely a természetben leggyakrabban a növények felületén fordul elő. A módosított sejtek nem elektromosságot vezetnek, hanem specifikus jelmolekulák kibocsátásával és érzékelésével továbbítják az információt a szomszédos egységeknek.
Öt baktériumtörzs alkotja a moduláris biológiai hálózatot
A mérnökök összesen öt különböző genetikailag módosított baktériumtörzset hoztak létre, amelyek együtt egy teljes körű rendszert alkotnak. Két törzs közvetlenül tranzisztorként működik: az egyik kémiai jel hatására bekapcsol és molekulát termel, míg a másik éppen ellenkezőleg, a beérkező molekula jelenlétében leállítja a kibocsátást. A fennmaradó három törzs jeltovábbítóként, azaz molekuláris reléként szolgál. Ezek a relék szigorúan egyetlen irányba továbbítják a vegyi jeleket a táptalajon, megakadályozva, hogy a szomszédos telepek anyagai nem kívánt módon keveredjenek vagy interferáljanak egymással.
Az élő áramkörök fizikai felépítéséhez a kutatók akusztikus folyadékkezelő rendszert használtak, amellyel mikroszkopikus baktériumcseppeket nyomtattak a táptalajra egymástól pontosan öt milliméteres távolságra. A rendszer legnagyobb előnye a modularitás. Korábban a szintetikus biológusoknak minden egyes új funkcióhoz a teljes sejtet újra kellett genetikai úton tervezniük. Ennél a módszernél viszont maga a genetikai kód változatlan marad: elegendő a meglévő öt baktériumtörzs elrendezését megváltoztatni a Petri-csészében ahhoz, hogy a hálózat teljesen új számítási feladatot hajtson végre.
Huszonnégy baktériumtelep számolja ki a matematikai összeget
A kísérletek során a kutatók sikeresen építettek olyan biológiai áramköröket, amelyek képesek voltak két vagy három bemeneti molekuláris jel összeadására, logikai kapuk működtetésére és jelek meghatározott útvonalra terelésére. A legösszetettebb demonstrált elrendezésben 24 különálló baktériumtelep dolgozott össze egyetlen koordinált hálózatban. A mikrobiális telepek kémiai úton kommunikáltak egymással, felvéve a molekuláris jelet, feldolgozva a logikai feltételeket, majd továbbítva a végeredményt a kijelölt céltelephez.
A hagyományos chipek gigahertzes órajeleihez képest a baktériumok lassúak, ám a biológiai számítástechnika igazi ereje nem a sebességben, hanem abban rejlik, hogy közvetlenül a természetes szerves környezetben működik. A kémiai jelek terjedése a táptalajon perceket vagy órákat vesz igénybe, ám ez a tempó tökéletesen illeszkedik a biológiai folyamatok ritmusához. Az eljárás nem igényel merev szilíciumhordozót vagy külső áramforrást, a sejtek kizárólag a környezetükben található tápanyagokat hasznosítják a működésükhöz.
Petri-csészétől a növényi levelek intelligens védelméig
A fejlesztés gyakorlati hasznosítása elsősorban a mezőgazdaságban és a környezetvédelemben várható. A kutatók elképzelései szerint a genetikailag módosított baktériumtörzsek bevonatként vihetők fel a növények leveleire vagy gyökérzetére. A növény felületén élő mikroorganizmusok folyamatosan monitorozhatják a környezeti tényezőket, mint például a szárazság kezdetét, a tápanyaghiányt vagy a kártevők megjelenését. Amint a baktériumok érzékelik a stresszjeleket, helyben elvégzik a szükséges számításokat, és közvetlenül elindíthatják a növény védelmi reakcióit.
A tudományos eredmény megerősíti, hogy az élő szervezetek szintetikus hálózatai átvehetik a hagyományos elektronikai alkatrészek szerepét ott, ahol az áramkörök jelenléte kivitelezhetetlen lenne. Az MIT csapata jelenleg azon dolgozik, hogy a technológiát a laboratóriumi táptalajokról a természetes növényi szövetek felszínére ültesse át.
