Ερευνητές του ΜΙΤ δημιούργησαν «ζωντανές πλακέτες κυκλωμάτων» από βακτήρια

Ερευνητές του Τεχνολογικού Ινστιτούτου Μασαχουσέτης (MIT) κατάφεραν να τροποποιήσουν γενετικά βακτήρια ώστε να λειτουργούν με τρόπο αντίστοιχο των τρανζίστορ, ανοίγοντας τον δρόμο για τη δημιουργία «ζωντανών πλακετών κυκλωμάτων» που μπορούν να τυπώνονται πάνω σε υλικό ανάπτυξης μέσα σε ένα τρυβλίο Petri.

Στα συμβατικά ηλεκτρονικά, τα τρανζίστορ λειτουργούν ως διακόπτες που ελέγχουν τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος. Στο βιολογικό σύστημα του MIT, τον αντίστοιχο ρόλο αναλαμβάνουν γενετικά τροποποιημένα βακτήρια, τα οποία ρυθμίζουν τη μετακίνηση μικρών μορίων σηματοδότησης και έτσι μεταφέρουν πληροφορίες από ένα σημείο του κυκλώματος σε άλλο, αναφέρει το SciTechDaily.

Η ομάδα δημιούργησε δύο είδη βακτηριακών τρανζίστορ και τρία επιπλέον βακτηριακά στελέχη που λειτουργούν ως ενδιάμεσοι αναμεταδότες. Τα πέντε αυτά στελέχη μπορούν να συνδυαστούν με διαφορετικούς τρόπους, σχηματίζοντας ποικίλες διατάξεις.

Στη μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο Nature Chemical Biology, οι ερευνητές κατασκεύασαν κυκλώματα ικανά να συνδυάζουν δύο ή τρεις εισόδους, αλλά και να κατευθύνουν ένα εισερχόμενο σήμα προς διαφορετικό προορισμό ανάλογα με τις συνθήκες.

Από τα κύτταρα στα βιολογικά τρανζίστορ

Τα κυκλώματα συνθετικής βιολογίας συνήθως βασίζονται σε κύτταρα που έχουν προγραμματιστεί ώστε να παράγουν συγκεκριμένες πρωτεΐνες και μεταγραφικούς παράγοντες. Ένα τέτοιο κύκλωμα μπορεί, για παράδειγμα, να ανιχνεύσει ένα μόριο και στη συνέχεια να ενεργοποιήσει μια προκαθορισμένη βιολογική απόκριση.

Η προσέγγιση αυτή όμως έχει περιορισμούς. Για να αποφεύγονται ανεπιθύμητες αλληλεπιδράσεις χρειάζονται διαφορετικοί μεταγραφικοί παράγοντες για κάθε λειτουργία, ενώ ο αριθμός των κατάλληλων παραγόντων είναι περιορισμένος. Επιπλέον, η συγκέντρωση πολλών κυκλωμάτων μέσα στο ίδιο κύτταρο μπορεί να επιβαρύνει τους μηχανισμούς παραγωγής πρωτεϊνών.

Οι ερευνητές του MIT επέλεξαν διαφορετική στρατηγική: αντί να τοποθετήσουν ολόκληρο το κύκλωμα μέσα σε ένα κύτταρο, έκαναν κάθε βακτηριακό πληθυσμό να λειτουργεί ως ξεχωριστό εξάρτημα.

Χρησιμοποίησαν το βακτήριο Pantoea agglomerans, το οποίο συναντάται συχνά σε επιφάνειες και φυτά. Δημιούργησαν δύο παραλλαγές βακτηριακών τρανζίστορ που ελέγχονται από το μόριο OC-6: η μία ενεργοποιείται όταν το μόριο είναι παρόν και η άλλη απενεργοποιείται.

Τα βακτήρια μπορούν επίσης να ανιχνεύουν ένα δεύτερο μόριο, το OC-12, και ανάλογα με την κατάσταση του «τρανζίστορ» παράγουν ένα τρίτο μόριο σηματοδότησης, το OHC-14.

«Καλωδίωση» με βακτηριακές αποικίες

Τρία ακόμη στελέχη Pantoea agglomerans τροποποιήθηκαν ώστε να λειτουργούν ως βιολογικοί αναμεταδότες, μετατρέποντας το OHC-14 σε νέο σήμα που μπορεί να φτάσει σε επόμενο τρανζίστορ.

Για την κατασκευή των κυκλωμάτων, οι βακτηριακές αποικίες τυπώθηκαν πάνω σε πλάκες άγαρ (τρυβλία Petri που περιέχουν ένα θρεπτικό ζελέ από φύκια, το οποίο χρησιμοποιείται για την καλλιέργεια βακτηρίων, μυκήτων και άλλων μικροοργανισμών) και τοποθετήθηκαν σε απόσταση περίπου πέντε χιλιοστών μεταξύ τους.

Η απόσταση αυτή περιορίζει την εξάπλωση των χημικών σημάτων, έτσι ώστε κάθε σήμα να φτάνει μόνο στην πλησιέστερη αποικία. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργείται μια ελεγχόμενη διαδρομή μετάδοσης πληροφοριών, αντίστοιχη με την καλωδίωση μιας ηλεκτρονικής πλακέτας.

Οι ερευνητές έδειξαν ότι τα βακτηριακά κυκλώματα μπορούν να εκτελούν διάφορες λογικές πράξεις. Κατασκεύασαν ακόμη πιο σύνθετες διατάξεις που μπορούσαν να προσθέτουν σήματα, να επεξεργάζονται πολλές εισόδους ταυτόχρονα και να λειτουργούν ως αποπολυπλέκτες, δηλαδή να κατευθύνουν ένα σήμα προς μία από πολλές πιθανές εξόδους. Το μεγαλύτερο κύκλωμα της μελέτης περιλάμβανε 24 συνδεδεμένες βακτηριακές αποικίες.

Υπολογιστές αργοί, αλλά χρήσιμοι στη βιολογία

Σε σύγκριση με τα ηλεκτρονικά συστήματα, οι βιολογικοί αυτοί υπολογιστές είναι εξαιρετικά αργοί: ένας υπολογισμός χρειάζεται περίπου οκτώ ώρες. Οι ερευνητές όμως δεν επιδιώκουν να ανταγωνιστούν τους συμβατικούς υπολογιστές. Στόχος τους είναι να ενσωματώσουν δυνατότητες επεξεργασίας πληροφοριών σε ζωντανά συστήματα.

Μία από τις εφαρμογές που εξετάζουν είναι η γεωργία. Στο μέλλον, τέτοια κυκλώματα θα μπορούσαν να τοποθετούνται σε φύλλα ή ρίζες φυτών, ώστε να ανιχνεύουν περιβαλλοντικές αλλαγές, όπως ξηρασία ή προσβολές από παράσιτα. Το κύκλωμα θα μπορούσε στη συνέχεια να ενεργοποιεί την κατάλληλη βιολογική απόκριση, για παράδειγμα την παραγωγή μιας αντιμυκητιακής ουσίας.

Για εφαρμογές αυτού του είδους, ένας υπολογισμός που ολοκληρώνεται μέσα σε μία νύχτα μπορεί να θεωρείται απολύτως επαρκής σε σχέση με τον ρυθμό ανάπτυξης ενός φυτού.