کامپیوتر زیستی E. coli با نشان دادن کار، سردرگمی را حل می کند

E. coli در روده ما رشد می کند، گاهی اوقات اثرات ناگوار ایجاد می کند و پیشرفت های علمی را تسهیل می کند – در DNA، سوخت های زیستی، و واکسن های کووید فایزر، به نام چند مورد. اکنون این باکتری چند استعدادی یک ترفند جدید دارد: می‌تواند مشکل گیج‌کننده محاسبات کلاسیک را با استفاده از محاسبات توزیع‌شده حل کند – به اشتراک گذاشتن محاسبات مورد نیاز در بین انواع مختلف سلول‌های مهندسی شده ژنتیکی.

این دستاورد عالی یک اعتبار برای زیست شناسی مصنوعی است که هدف آن افزایش سرعت مدارهای بیولوژیکی مانند مدارهای الکترونیکی و برنامه های سلولی به آسانی رایانه ها است.

این آزمایش گیج‌کننده بخشی از چیزی است که برخی از محققان آن را یک جهت امیدوارکننده در این زمینه می‌دانند: به جای طراحی یک نوع سلول برای انجام همه کارها، آنها انواع سلول‌های مختلف را طراحی می‌کنند که هر کدام عملکردهای متفاوتی دارند تا آن را انجام دهند. این میکروب های مهندسی شده با هماهنگی کار می کنند و می توانند مشکلاتی مانند شبکه های چند سلولی در طبیعت را “شمارش” و حل کنند.

تا به حال، خوب یا بد، استفاده از قدرت طراحی بیولوژیکی برای زیست شناسان مصنوعی غیرممکن و خسته کننده بوده است. “طبیعت با این حال می تواند این کار را انجام دهد (به مغز فکر کنید). ما پاملا سیلور، زیست‌شناس مصنوعی در هاروارد، می‌گوید هنوز نمی‌دانم چگونه با استفاده از زیست‌شناسی در سطح بسیار بالایی از پیچیدگی طراحی کنم.

مطالعه با E. coli حل‌کننده‌های گیج‌کننده، به رهبری بیوفیزیکدان سانگرام باغ در موسسه فیزیک هسته‌ای ساها در کلکته، یک مشکل اسباب‌بازی ساده و سرگرم‌کننده است. اما همچنین اثبات اصل برای محاسبات توزیع شده بین سلول ها است و نشان می دهد که چگونه می توان مسائل محاسباتی پیچیده تر و عملی را به روشی مشابه حل کرد. اگر بتوان از این رویکرد در مقیاس بزرگ‌تری استفاده کرد، می‌توان برنامه‌های مربوط به همه چیز از پزشکی گرفته تا کشاورزی و سفرهای فضایی را باز کرد.

دیوید مک میلن، مهندس زیستی در دانشگاه تورنتو گفت: «همانطور که ما به سمت حل مشکلات پیچیده‌تر با سیستم‌های بیولوژیکی مهندسی شده پیش می‌رویم، توزیع بار مانند این ظرفیت مهمی برای تعیین خواهد بود.

چگونه هزارتوی از باکتری بسازیم

بگیرید E. coli حل یک مشکل گیج کننده مستلزم مقداری نبوغ است. باکتری ها در لابلای سلطنتی حصارهای خوش تراش سرگردان نمی شوند. با این حال، باکتری‌ها انواع پیکربندی‌های هزارتویی را تجزیه و تحلیل کردند. آماده سازی: یک پیچ و خم در هر لوله آزمایش، با هر ماز ساخته شده توسط یک ماده شیمیایی متفاوت.

دستور العمل شیمیایی از یک جعبه 2 × 2 که نشان دهنده یک مشکل گیج کننده است انتزاع شد. کادر بالا سمت چپ جعبه آغاز پیچ و خم است و کادر پایین سمت راست مقصد است. هر مربع در شبکه می تواند یک مسیر باز یا مسدود باشد که منجر به 16 پیچ و خم ممکن می شود.

باغ و همکاران ریاضی او این مسئله را به یک جدول صدق متشکل از 1s lan 0s، تمام تنظیمات گیج کننده ممکن را نشان می دهد. سپس پیکربندی را در 16 ترکیب مختلف از چهار ماده شیمیایی ترسیم می کنند. وجود دارد یا نه، هر ماده شیمیایی مربوط به باز بودن یا مسدود شدن یک جعبه خاص در پیچ و خم است.

این تیم چندین مجموعه را مهندسی کرد E. coli با مدارهای ژنتیکی مختلف که این مواد شیمیایی را شناسایی و تجزیه و تحلیل می کند. با هم، جمعیت مخلوط باکتری ها به عنوان یک کامپیوتر توزیع شده عمل می کند. هر مجموعه متفاوتی از سلول ها بخش خود را از محاسبات، پردازش اطلاعات شیمیایی و حل پازل انجام می دهد.

با اجرای آزمایش، محققان ابتدا آن را انجام دادند E. coli در 16 لوله آزمایش، معجون ماز شیمیایی متفاوتی به هر کدام اضافه شد و باکتری‌ها را رها کرد تا رشد کنند. بعد از 48 ساعت، اگر E. coli عدم شناسایی یک مسیر روشن از طریق پیچ و خم – یعنی اگر مواد شیمیایی مورد نیاز وجود نداشته باشد – سیستم تاریک می ماند. اگر ترکیب شیمیایی صحیح وجود داشته باشد، مدار مربوطه روشن می شود و باکتری ها به طور جمعی پروتئین های فلورسنت را به رنگ های زرد، قرمز، آبی یا صورتی بیان می کنند تا محلول را نشان دهند. باغ گفت: «اگر راهی، راه حلی وجود داشته باشد، باکتری ها می درخشند.

کاتاکالی سرکار و سنگرام باغ

چیزی که باغ به‌ویژه هیجان‌انگیز می‌دانست، به هم ریختن تمام 16 هزارتو بود E. coli شواهد فیزیکی ارائه کرد که تنها سه مورد قابل حل بودند. باغ گفت: «محاسبه این با معادلات ریاضی کار آسانی نیست. با این آزمایش می توانید به راحتی آن را تجسم کنید.

اهداف عالی

باغ یک کامپیوتر بیولوژیکی را تصور می کند که به رمزنگاری یا استگانوگرافی (هنر و علم پنهان کردن اطلاعات) کمک می کند، که از پیچ و خم ها برای پنهان کردن و پنهان کردن داده ها استفاده می کند. اما پیامدها فراتر از کاربرد آن به جاه طلبی های عالی زیست شناسی مصنوعی گسترش می یابد.

ایده زیست شناسی مصنوعی در دهه 1960 آغاز شد، اما این زمینه به طور ملموس در دهه 2000 با ایجاد مدارهای بیولوژیکی مصنوعی (به طور خاص، سوئیچ ها و نوسانگرها) که برنامه های سلولی را برای تولید ترکیبات مورد نظر یا واکنش هوشمند ایجاد کردند، ظهور کرد. محیط زیست.