Tento „počítač“ potrebuje živiny namiesto zásuvky. Jeho súčiastkami sú geneticky upravené baktérie

Výskumníci z MIT vytvorili dva typy bakteriálnych tranzistorov a pomocou ďalších troch kmeňov ich pospájali do programovateľných obvodov. Namiesto elektrónov medzi nimi putujú chemické signály a výsledný systém zvládol logické operácie, sčítanie aj smerovanie informácií.

Tranzistor, ktorý musíš nakŕmiť

Keď sa povie tranzistor, predstavíš si mikroskopickú polovodičovú súčiastku ukrytú v procesore. Tím z Massachusetts Institute of Technology však postavil jeho biologickú obdobu z geneticky upravených baktérií Pantoea agglomerans. Výsledky zverejnil 17. augusta v odbornom časopise Nature Chemical Biology.

Nejde pritom o tranzistor, ktorým by chceli vedci nahradiť kremík v notebookoch. Elektronický tranzistor ovláda tok elektrického prúdu. Bakteriálna verzia prepína tok molekulárnych signálov medzi jednotlivými kolóniami buniek. Princíp logiky zostáva podobný, médium je úplne iné.

Výskumníci vytvorili dva typy bakteriálnych tranzistorov, ktoré reagujú opačne na molekulu OC-6. Jeden sa po jej prítomnosti aktivuje, druhý vypne. Súčasne sledujú druhý chemický vstup OC-12 a podľa kombinácie signálov vytvárajú výstupnú molekulu OHC-14.

To samo osebe by však na zložitejší výpočet nestačilo. Tím preto pripravil ďalšie tri bakteriálne kmene fungujúce ako relé. Zachytia chemický výstup jednej časti obvodu, prevedú ho na ďalší signál a pošlú ho k nasledujúcemu „tranzistoru“. Celá architektúra tak používa iba päť typov buniek.

Program menia rozložením baktérií

Najzaujímavejšia časť výskumu nie je samotná genetická úprava, ale spôsob programovania.

Baktérie sa pomocou presného dávkovacieho systému tlačia na agarovú živnú pôdu v kolóniách vzdialených približne päť milimetrov. Chemický signál difunduje k najbližšej kolónii a relé ho posúva ďalej určeným smerom. Zmenou polohy jednotlivých bakteriálnych „súčiastok“ možno meniť funkciu celého obvodu bez toho, aby vedci zakaždým nanovo upravovali genetický kód.

MIT

Tím tak postavil viacero logických obvodov vrátane brán s viacerými vstupmi, demultiplexora, polovičného sčítača a úplného sčítača. Najväčšia demonštrovaná zostava, ktorá sčítavala dva vstupy, pozostávala z 24 bakteriálnych kolónií.

Je to dôležitý rozdiel oproti staršiemu prístupu syntetickej biológie. Komplexnú logiku sa vedci často snažili natlačiť do jednej bunky pomocou množstva regulačných proteínov. Počet vhodných a navzájom sa nerušiacich regulačných prvkov je však obmedzený a príliš komplexný genetický program začne zaťažovať samotnú bunku. MIT rozdelilo výpočet medzi viac jednoduchších buniek.

Podobný smer prepájania živej biológie a techniky sme sledovali aj pri biobatérii poháňanej baktériami, kde mikroorganizmy namiesto výpočtu zabezpečovali výrobu elektrickej energie.

Procesor z toho zatiaľ nebude

Ak čakáš biologickú konkurenciu pre Apple či Nvidia, prichádza tvrdé vytriezvenie. Jeden výpočet bakteriálneho obvodu trvá približne osem hodín. Klasický procesor za rovnaký čas vykoná astronomické množstvo operácií.

Autori však rýchlosť ani nepovažujú za hlavný cieľ. Ich ambíciou je dostať schopnosť rozhodovať priamo do biologického prostredia, kde klasický čip nedáva veľký zmysel. Výpočet dokončený cez noc môže byť v poľnohospodárstve úplne postačujúci, keď sa sledovaný proces odohráva počas dní či týždňov.

MIT ako jeden z možných scenárov opisuje baktérie umiestnené na koreňoch alebo listoch rastlín. Obvod by mohol kombinovať viac signálov upozorňujúcich na sucho, chorobu alebo napadnutie škodcom a až po vyhodnotení podmienok spustiť reakciu, napríklad produkciu fungicídnej látky. Zatiaľ ide o navrhované budúce využitie, nie o systém odskúšaný na poliach.

Tu je zároveň najväčší limit práce. Štúdia ukazuje funkčné obvody na pevnom povrchu v kontrolovaných podmienkach. Stále treba vyriešiť ich stabilitu mimo laboratória, zásobovanie živinami, správanie pri meniacich sa podmienkach a bezpečné použitie geneticky upravených mikroorganizmov.

Biologické stroje pritom nie sú na FonTechu úplnou novinkou. Vedci už vytvorili aj mimoriadne jednoduchú umelú bunku, ktorá reaguje na chemické prostredie a sama sa pohybuje. Nová práca MIT ide opačným smerom. Namiesto napodobňovania pohybu živého organizmu dáva existujúcim bunkám funkciu stavebných blokov počítačovej architektúry.

Výskum čiastočne financovali aj americké agentúry DARPA a IARPA. Hlavný výsledok je však zatiaľ podstatne prozaickejší než predstava živého superpočítača. Päť geneticky navrhnutých bakteriálnych kmeňov dokázalo vytvoriť modulárny systém, ktorého funkciu možno meniť podobne ako rozloženie súčiastok na doske.

Čítajte viac z kategórie: Novinky