Живые печатные платы из бактерий: логические схемы из колоний Pantoea agglomerans

Тема: Бактериальные логические схемы · Выращенные на агаре биокомпьютеры и их применение

Кратко

Исследователи MIT вырастили на агаре колонии бактерий Pantoea agglomerans, которые выполняют логические операции. Логика задаётся геометрическим расположением колоний, а не переписыванием ДНК. Схема из 24 колоний складывает двоичные числа за восемь часов; в перспективе такие вычисления можно встроить в растения для защиты от стресса и вредителей.

Главное

  • Созданы пять штаммов бактерий-«транзисторов»: два управляются молекулой OC-6, чувствуют OC-12 и выдают сигнал OHC-14.
  • Логическая функция схемы определяется расположением колоний на агаре, а не генетической перестройкой.
  • Колонии печатаются акустическим дозатором каплями до 2,5 нанолитров; расстояние между ними — около пяти миллиметров.
  • Крупнейшая схема содержала 24 колонии и могла складывать двоичные числа; также реализованы OR, IMPLY, мультиплексоры и полные сумматоры.
  • Одно вычисление занимает около восьми часов, колонии живут примерно три дня.
  • Цель — встроить вычисления в биологию, например, чтобы растения сами распознавали засуху, вредителей и болезни и запускали защитную реакцию.

Под флуоресцентным светом это выглядит как крошечное созвездие: красные и зелёные точки, рассыпанные по поверхности агара. Никаких проводов, никаких кремниевых пластин. Только живые колонии Pantoea agglomerans — бактерии, которые обычно растут на поверхности растений. Но эти точки складывают двоичные числа. Они выполняют логические операции. Они маршрутизируют сигналы. Это не метафора и не арт-проект. Это действующая «печатная плата», выращенная из бактерий.

Исследование предлагает не просто очередной биологический трюк. Оно переворачивает само представление о том, где может происходить вычисление.

На фото живые схемы из бактерий, созданные исследователями MIT. Источник MIT News

Обратная сторона транзистора

Созданы два типа бактериальных транзисторов. Один включается молекулой OC-6, другой выключается. Оба также чувствуют присутствие целевой молекулы OC-12. В зависимости от комбинации условий они производят выходной сигнал OHC-14. Три дополнительных штамма работают как реле они переводят сигнал OHC-14 в форму, которую может прочитать следующий транзистор.

Пять штаммов. Пять строительных блоков. Из них можно собрать практически любую схему.

Геометрия вместо генетики

Исследователи пошли другим путём. Вместо того чтобы строить всю схему в одной клетке, они распределили функции между разными колониями. Каждая колония делает одну простую вещь. А общая функция определяется тем, как эти колонии расположены.

Колонии печатают на агаровой пластине с помощью акустического дозатора жидкости, который наносит капли объёмом до 2,5 нанолитров. Расстояние между соседними колониями примерно пять миллиметров. Этого достаточно, чтобы молекулярный сигнал достигал только ближайшего соседа, создавая однонаправленный поток информации.

Чтобы изменить функцию схемы, не нужно перепрограммировать ДНК. Достаточно изменить рисунок расположения колоний. Программирование становится вопросом геометрии, а не генетики.

Восемь часов на сложение

С вычислительной точки зрения такие схемы потенциально способны выполнять любые операции, которые доступны обычным компьютерам. Но есть нюанс. Одно вычисление занимает около восьми часов. Молекулы диффундируют медленно. К тому же колонии живут примерно три дня, после чего рост и изменение условий начинают ухудшать их производительность.

Но скорость здесь не главное.

Зачем вообще это нужно?

Ответ прямой: мы не пытаемся заменить компьютеры, мы хотим встроить вычислительный контроль в биологию.

Представьте: растения, покрытые такими бактериальными схемами. Колонии распознают молекулярные признаки стресса засуху, атаку вредителей, болезнь. И запускают защитную реакцию: производят фунгицид, активируют устойчивость, посылают сигнал тревоги. Без внешнего вмешательства. Без датчиков. Без электроники.

Pantoea agglomerans выбрана не случайно эта бактерия естественным образом живёт на поверхности растений. Она уже там. Остаётся только научиться печатать на листьях и корнях те же схемы, которые сейчас работают в чашке Петри.

Вычисления это тоже биологическая функция

Эта работа предлагает обратное движение. Не отделение вычислений от биологии, а их возвращение. Не замена живого на кремний, а наделение живого вычислительными способностями.

Восемь часов на сложение это смешно по меркам кремния. Но для растения, которое решает, включать ли защиту от вредителей, восемь часов это мгновение. Для биологической системы, которой не нужны внешние датчики и питание, это бесконечная экономия.

Любая операция может быть реализована с помощью этих пяти штаммов. Вопрос не в том, могут ли бактерии вычислять. Вопрос в том, где и зачем им это позволят делать.

Пока что схема из 24 колоний живёт в чашке Петри и складывает числа за восемь часов. Но направление ясно: вычисления становятся свойством живых систем. И следующий шаг от агара к листу.

Фрагменты

Живая печатная плата — это колонии бактерий Pantoea agglomerans, которые выполняют логические операции и маршрутизируют сигналы, подобно транзисторам.

В обычном чипе транзистор — переключатель: подал напряжение — открыл путь, не подал — закрыл. В биологической версии вместо электронов движутся молекулы, а роль переключателя выполняет генетически модифицированная колония.

Колонии печатают на агаровой пластине с помощью акустического дозатора жидкости: капли объёмом до 2,5 нанолитров, расстояние между соседними колониями примерно пять миллиметров, чтобы сигнал достигал только ближайшего соседа.

Раньше синтетические биологи втискивали схемы внутрь одной клетки, но внутриклеточные ресурсы конечны. Здесь функции распределены между разными колониями: каждая делает одну простую вещь, а общая функция определяется расположением.

Зачем это нужно? Мы не пытаемся заменить компьютеры, а хотим встроить вычислительный контроль в биологию: растения, покрытые бактериальными схемами, смогут распознавать стресс, засуху или вредителей и запускать защитную реакцию без электроники.

Были продемонстрированы логические вентили OR и IMPLY, мультиплексоры и полные сумматоры. Крупнейшая схема содержала 24 колонии и складывала двоичные числа.

Восемь часов на сложение — смешно по меркам кремния, но для растения, которое решает, включать ли защиту от вредителей, восемь часов — мгновение.

Вопросы и ответы

Почему бактериальные схемы не заменят компьютеры?
Авторы не пытаются заменить компьютеры: цель — встроить вычислительный контроль в биологию, например, в растения.
Сколько времени занимает одно вычисление?
Одно вычисление занимает около восьми часов из-за медленной диффузии молекул.
Почему выбрана бактерия Pantoea agglomerans?
Эта бактерия естественным образом живёт на поверхности растений, поэтому подходит для будущего применения на листьях и корнях.
Как программируется такая схема?
Чтобы изменить функцию схемы, достаточно изменить рисунок расположения колоний — перепрограммировать ДНК не нужно.

Комментарии

  1. Интересно именно переопределение критерия производительности: восемь часов на сложение неприемлемы для кремниевого чипа, но для растения, которое решает вопрос о запуске защитного механизма, такая задержка оказывается физиологически допустимой. По сути, авторы переносят вычисления из домена электроники в домен экологической физиологии, и тогда метрика меняется с тактовой частоты на энергетический бюджет и автономность системы. За этот ход мысли спасибо, нечасто встречаешь такой способ аргументации

  2. А вы представляете, сколько таких «сложений» реально успеет выполнить схема за свои три дня жизни? Восемь часов на операцию - это же всего около девяти расчётов за всё время. Получается, смысл не в скорости, а в том, что логика работает прямо внутри живой ткани, и её, например, можно встроить в само растение, чтобы оно само решало, когда включать защиту?

  3. Восемь часов на сложение - примерно как я со своей налоговой декларацией, только у бактерий ещё и три дня на всё про всё 😄 Но если они переберутся на лист, то глядишь, и начнут считать гусениц быстрее, чем я успею испугаться

  4. Согласна, что программирование через геометрию - это сильный ход: один и тот же набор штаммов можно перенастроить под другую задачу просто рисунком посадки, без переписывания ДНК. Но насколько стабильна такая схема на дистанции пять миллиметров, если колонии начнут влиять друг на друга быстрее, чем ожидалось?

  5. Интересный проект.А если внедрить на практике, нужно каждые 3 дня делать новую аппликацию на каждое растение? Время работы системы должно стремиться к длине вегетационного периода хотя бы однолетних растений.

  6. я, как биолог, отношусь к этому скептически. во-первых, идея не проработана с точки зрения физиологии, потому что еще неизвестно, как поведут себя растения при производстве бактериями какого-то биологически активного соединения в реальных условиях, тем более на тысячах гектаров. Во-вторых, еще в 80-х годах говорили о создании картофеля, могущего убивать колорадского жука. где этот картофель на полях? В-третьих, растениеводам надо будет заботиться не только о растениях, но и этих бактериях, создавая условия для их проживания. При засухе, например, эти бактерии будут высасывать воду из растений, и так испытывающих дефицит воды. Это только то, что пришло на ум в первые минуты. Проблемы регуляции ра растениях не такие простые.

  7. Так растения как раз и сами выполняют функции о которых в статье о бактериях говорится. Зачем этому растению дополнительные бактерии?

  8. стоп, «следующий шаг от агара к листу» - так растения будут сами вычислять, когда защищаться?? это же живой компьютер вместо кремния, вайб 🌱

  9. Вот за это «где и зачем» спасибо отдельное - звучит почти как философия, а по факту просто точная постановка задачи 🙂 И геометрический подход с перенастройкой схем без переписывания ДНК - это сильно, сразу чувствуется инженерная мысль, а не просто лабораторный курьёз

  10. Бунт растений - это страшно...