Традиційна синтетична біологія намагалася вмістити всі логічні вентилі (І, АБО, НЕ) всередину однієї клітини, що перевантажувало її білковий апарат і створювало перехресні завади між сигналами. Команда з Массачусетського технологічного інституту (MIT) пішла іншим шляхом: вони розподілили обчислювальні функції між різними клітинами Pantoea agglomerans – мікроорганізма, що в природі живе на поверхні рослин.
Дослідники розробили два типи клітин-транзисторів, які реагують на молекулу-тумблер OC 6 (невелика сигнальна молекула із сімейства ацил-гомосерин-лактонів, яку бактерії використовують для кворум-сенсінгу, тобто «спілкування») і під дією другої сигнальної молекули OC 12 вивільняють вихідну речовину OHC 14. Також було створено клітини-реле – три додаткові штами, які приймають OHC 14 і перетворюють її на вхідний сигнал для наступного транзистора.
Просторова архітектура живих транзисторів виглядає наступним чином: колонії Pantoea agglomerans висаджують на агар на точній відстані 5 мм одна від одної. Це гарантує, що хімічні сигнали передаються строго в одному напрямку без хаосу:
точний інтервал у 5 міліметрів виступає аналогом ізольованого мідного провідника на друкованій платі, регулюючи дифузію за законами Фіка.
Використовуючи 5 модульних штамів, вчені зібрали повноцінний селектор маршруту та обчислювальну схему з 24 зʼєднаних колоній, яка додає два вхідні сигнали. За словами розробників, теоретично ця система здатна виконати будь-яку обчислювальну операцію, яку виконує звичайний процесор.
Втім, на відміну від кремнієвої мікроелектроніки, у біопроцесорів кульгає швидкість: одна біообчислювальна операція триває близько 8 годин. Однак для агросектору цього більш ніж достатньо: якщо нанести такі бактеріальні схеми на коріння чи листя сільськогосподарських культур, вони зможуть за ніч проаналізувати стан ґрунту та, виявивши патоген або брак води, самостійно запустити синтез фунгіцидів чи захисних гормонів – таким чином захист рослин працюватиме як вбудована операційна система без використання токсичних пестицидів.
«Ми не намагаємося замінити традиційні компʼютери, а прагнемо інтегрувати обчислювальний контроль прямо в біологію. Якщо бактерія на корінні робить обчислення протягом ночі — для вегетаційного сезону рослини це надзвичайно швидко», — пояснили автори першої моделі автономної «розумної агрокультури».
Читайте також
Синтетичні бактеріофаги: нова зброя проти антибіотикорезистентних інфекцій
