Современная электроника строится на простых схемах передачи и обработки сигналов. Живые организмы работают по схожему принципу уже миллиарды лет, и это сходство давно привлекает внимание инженеров.
Команда Массачусетского технологического института заменила электрические сигналы биологическими. В основе прототипа лежат три штамма бактерии Pantoea agglomerans, которые переносят сигналы по цепи вместо электронов.
Одно вычисление занимает около восьми часов, но результаты, опубликованные на этой неделе в журнале Nature Chemical Biology, показывают неожиданный потенциал биотехнологий. Речь идёт не о конкуренции с кремнием, а о встраивании логики прямо в живые системы.
Глава департамента биологической инженерии MIT и старший автор исследования Кристофер Фойт, сказал:
Мы не пытаемся заменить компьютеры, а скорее хотим внедрить вычислительный контроль в биологию. Если у вас есть бактерии на корне растения или само растение выполняет вычисления, то простой расчёт за ночь достаточно быстр относительно вегетационного сезона.
Прежние попытки в этой области опирались на ферменты и размещали целую схему внутри одной сравнительно крупной клетки. Заставить крошечную клетку считать именно так, как задумали исследователи, оказалось крайне сложно, что жёстко ограничивало сложность получаемых конструкций.
Транзисторы работают иначе. Как пишут авторы работы, они "не задают логику схемы", а "условно разрешают распространение сигнала". Такой подход позволяет комбинировать биотранзисторы в разных конфигурациях и собирать более разнообразные схемы.
Для прототипа колонии бактерий напечатали на миниатюрных пластинах, разместив их примерно в пяти миллиметрах друг от друга. Механизм основан на семействе молекул, которое давно применяется в биохимических исследованиях.
Одна молекула выступает переключателем, вторая служит "мишенью" и указывает, активен ли этот переключатель. При наличии молекулы-мишени транзистор вырабатывает выходную молекулу, которая передаётся следующему элементу цепочки.
Испытания показали, что схема способна выполнять целый ряд логических операций всего на пяти штаммах. Самая крупная собранная конструкция объединила 24 бактериальные колонии.
17-летний школьник открыл способ избавить пчёл от клещей и поднять сборы мёда
Учёные до сих пор не знают, сколько могут жить грибы, но у них есть теории
Ограничений у технологии хватает. Среди основных факторов, которые сдерживают масштабирование:
-
колонии остаются живыми организмами и со временем растут и меняются
-
скорость работы упирается в естественную диффузию молекул между колониями
-
весь "живой компьютер" функционирует около трёх суток
Офисным машинам такая разработка не конкурент, зато в сельском хозяйстве применение выглядит вполне реальным. Схему можно разместить у корней растений, чтобы отслеживать стрессовые состояния и автономно реагировать на вредителей или другие угрозы окружающей среды.
Кристофер Фойт:
Эта работа показывает, что мы можем продвигаться к более сложным функциям, связывая между собой более простые функции в отдельных клетках. С вычислительной точки зрения нет ничего, что мог бы сделать ваш iPhone и не смогли бы сделать эти схемы.
Несмотря на прогресс, до практического применения еще далеко.
