یک کامپیوتر زیستی E. coli با به اشتراک گذاشتن کار، پیچ و خم را حل می کند

E. coli در روده ما رشد می کند، گاهی اوقات با اثرات ناگوار، و پیشرفت های علمی – در DNA، سوخت های زیستی، و واکسن فایزر کووید، به نام چند. اکنون این باکتری با استعداد یک ترفند جدید دارد: می تواند یک مشکل هزارتوی محاسباتی کلاسیک را با محاسبات توزیع شده حل کند – با تقسیم محاسبات لازم به انواع مختلف سلول های اصلاح شده ژنتیکی.

این دستاورد بزرگ به لطف زیست شناسی مصنوعی است که هدف آن ساخت مدارهای بیولوژیکی مشابه مدارهای الکترونیکی و برنامه ریزی سلول ها به آسانی رایانه ها است.

آزمایش ماز بخشی از چیزی است که برخی از محققان آن را جهت امیدوارکننده‌ای در این زمینه می‌دانند: به جای توسعه یک نوع سلول برای انجام همه کارها، آنها در حال طراحی انواع سلول‌ها هستند که هر کدام عملکردهای متفاوتی دارند تا کار را انجام دهند. این میکروب های مهندسی شده ممکن است با همکاری یکدیگر بتوانند مشکلاتی را که بیشتر شبیه شبکه های چند سلولی در طبیعت هستند، «محاسبه» و حل کنند.

تاکنون از زیست شناسان مصنوعی فرار کرده است، چه خوب و چه بد، و از بهره برداری کامل از قدرت خلاقانه زیست شناسی ناامید شده است. “طبیعت می تواند این کار را انجام دهد (به یک مغز فکر کنید) اما آب و هوا پاملا سیلور، زیست‌شناس مصنوعی در هاروارد می‌گوید که هنوز نمی‌دانم چگونه از زیست‌شناسی برای توسعه این پیچیدگی بسیار زیاد استفاده کنم.

مطالعه با E. coli حل‌کننده‌های هزارتو، به کارگردانی بیوفیزیکدان سانگرام باغ در موسسه فیزیک هسته‌ای ساها در کلکته، یک مشکل اسباب‌بازی ساده و سرگرم‌کننده است. اما همچنین به عنوان یک اثبات اصل برای محاسبات توزیع شده بین سلول ها عمل می کند و نشان می دهد که چگونه مشکلات محاسباتی پیچیده تر و عملی تر را می توان به روشی مشابه حل کرد. اگر این رویکرد در مقیاس بزرگ‌تر کار کند، می‌تواند کاربردهایی را از داروسازی گرفته تا کشاورزی و هوافضا باز کند.

دیوید مک میلن، مهندس زیستی در دانشگاه تورنتو می‌گوید: «اگر ما در حال حل مسائل پیچیده‌تر با سیستم‌های بیولوژیکی مصنوعی هستیم، چنین توزیع بار مهارت مهمی برای ایجاد خواهد بود.

چگونه یک ماز ​​باکتری بسازیم

دریافت كردن E. coliبرای حل مشکل پیچ و خم کمی نبوغ لازم بود. باکتری ها از طریق پیچ و خم قصر پرچین های خوش تراش مهاجرت نکردند. در عوض، باکتری ها پیکربندی های مختلف هزارتو را تجزیه و تحلیل کردند. ساختار: یک هزارتو در هر لوله آزمایش، که هر هزارتو توسط یک آماده سازی شیمیایی متفاوت ایجاد می شود.

دستور العمل های شیمیایی از یک شبکه 2 × 2 که مشکل هزارتو را به تصویر می کشد انتزاع شد. مربع بالای سمت چپ شبکه شروع پیچ و خم و مربع پایین سمت راست مقصد است. هر مربع روی شبکه می تواند یک مسیر باز یا یک مسیر مسدود باشد که 16 پیچ و خم های ممکن را ارائه می دهد.

باغ و همکارانش این مسئله را به صورت ریاضی به جدولی از حقیقت ترجمه کردند 1شن 0s تمام تنظیمات ماز ممکن را نشان می دهد. سپس آنها این تنظیمات را بر روی 16 مخلوط مختلف از چهار ماده شیمیایی ترسیم کردند. وجود یا عدم وجود هر ماده شیمیایی مربوط به باز یا مسدود بودن یک مربع خاص در ماز است.

تیم چندین مجموعه از E. coli با مدارهای ژنتیکی مختلف که این مواد شیمیایی را کشف و تجزیه و تحلیل کردند. با هم، جمعیت باکتریایی مخلوط به عنوان یک کامپیوتر توزیع شده عمل می کند. هر یک از گروه های مختلف سلولی بخشی از محاسبه را انجام می دهند، اطلاعات شیمیایی را پردازش می کنند و ماز را حل می کنند.

هنگام انجام آزمایش، محققان ابتدا آن را شناسایی کردند E. coli در 16 لوله آزمایش، یک ماز ​​شیمیایی متفاوت به هر کدام اضافه کرد و اجازه داد باکتری رشد کند. بعد از 48 ساعت اگر E. coliمسیر روشنی از طریق پیچ و خم پیدا نکرد – یعنی اگر مواد شیمیایی مورد نیاز در دسترس نبود – سیستم تاریک باقی می ماند. هنگامی که ترکیب شیمیایی مناسب در محل قرار گرفت، مدارهای مناسب “روشن” شدند و باکتری ها به طور جمعی پروتئین های فلورسنت را به رنگ های زرد، قرمز، آبی یا صورتی بیان کردند تا محلول ها را نشان دهند. باغ می گوید: اگر راهی، راه حلی وجود داشته باشد، باکتری ها می درخشند.

کاتاکالی سرکار و سنگرام باغ

بغ آن را به‌ویژه هیجان‌انگیز می‌دانست که در تمام 16 پیچ و خم‌ها جستجو می‌کرد E. coli شواهد فیزیکی ارائه کرد که تنها سه مورد قابل حل بودند. باغ می گوید: «محاسبه این با یک معادله ریاضی کار آسانی نیست. “با این آزمایش می توانید به راحتی آن را تجسم کنید.”

اهداف عالی

باغ یک کامپیوتر بیولوژیکی را متصور است که به رمزنگاری یا استگانوگرافی (هنر و علم پنهان کردن اطلاعات) کمک می کند که به ترتیب از پیچ و خم ها برای رمزگذاری و پنهان کردن داده ها استفاده می کند. اما پیامدها فراتر از این کاربردها به جاه طلبی های بالاتر زیست شناسی مصنوعی گسترش می یابد.

ایده زیست شناسی مصنوعی به دهه 1960 برمی گردد، اما این زمینه به طور ملموس در سال 2000 با ایجاد مدارهای بیولوژیکی مصنوعی (به ویژه یک کلید ضامن و یک نوسانگر) که به طور فزاینده ای امکان برنامه ریزی سلول ها را برای تولید یا ایجاد ترکیبات دلخواه فراهم کرد، ظهور کرد. محیط اطراف آنها هوشمندانه واکنش نشان می دهد.