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 موفقیت ناگوار، و پیشرفت های علمی را تسهیل می کند – در DNA فایزر، سوخت های زیستی و واکسن کووید، برای نام بردن از چند مورد. اکنون، این باکتری چند استعدادی یک ترفند جدید دارد: می‌تواند مشکل پیچ و خم محاسباتی کلاسیک را با محاسبات توزیع‌شده حل کند – تقسیم محاسبات لازم بین انواع مختلف سلول‌های مهندسی شده ژنتیکی.

این شاهکار شسته و رفته به دلیل زیست شناسی مصنوعی است که هدف آن جمع آوری مدارهای بیولوژیکی مانند 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 طراحی یک نوع سلول برای انجام همه کارها، آنها چندین نوع سلول را طراحی می‌کنند که هر کدام عملکردهای متفاوتی دارند تا کار را انجام دهند. این میکروب های مهندسی شده با همکاری یکدیگر ممکن است بتوانند مانند شبکه های چند سلولی در طبیعت، مسائل را “محاسبه” و حل کنند.

تاکنون، چه خوب و چه بد، استفاده کامل از قدرت طراحی زیست‌شناسی، زیست‌شناسان مصنوعی را ناامید کرده است. “طبیعت می تواند این کار را انجام دهد (مغز فکر کنید) اما ما پاملا سیلور، زیست‌شناس مصنوعی دانشگاه هاروارد، می‌گوید: من هنوز نمی‌دانم چگونه با استفاده از زیست‌شناسی با چنین سطح پیچیدگی زیادی طراحی کنم.

مطالعه با E coli به عنوان حل کننده های پیچ و خم، به رهبری بیوفیزیکدان Sangram Bagh از موسسه فیزیک هسته ای ساها در کلکته، این یک مشکل ساده و سرگرم کننده با یک اسباب بازی است. با این حال، همچنین به عنوان اثبات اصل پردازش توزیع شده بین سلول ها عمل می کند و نشان می دهد که چگونه می توان مسائل محاسباتی پیچیده تر و عملی را به روشی مشابه حل کرد. اگر این رویکرد در مقیاس بزرگ‌تر کار کند، می‌تواند برنامه‌های کاربردی را برای همه چیز از دارو گرفته تا کشاورزی و سفرهای فضایی باز کند.

دیوید مک میلن، مهندس زیستی در دانشگاه تورنتو می‌گوید: «وقتی به حل مسائل پیچیده‌تر با سیستم‌های بیولوژیکی مهندسی برویم، این توزیع بار توانایی مهمی برای تعیین خواهد بود.

چگونه یک ماز ​​باکتریایی بسازیم

گرفتن E coliبرای حل مشکل پیچ و خم کمی نبوغ لازم بود. باکتری ها در پیچ و خم پرچین های خوش تراش کاخ پرسه نمی زدند. در عوض، باکتری ها پیکربندی های مختلف ماز را تجزیه و تحلیل کردند. پیکربندی: یک پیچ و خم در هر لوله آزمایش با هر ماز تولید شده توسط یک مخلوط شیمیایی متفاوت.

دستور العمل های شیمیایی از یک شبکه 2 × 2 نشان دهنده مشکل ماز استخراج شد. مربع بالای سمت چپ شبکه شروع پیچ و خم و مربع سمت راست پایین شبکه مقصد است. هر مربع روی شبکه می تواند مسیر باز یا مسدود باشد و 16 پیچ و خم ممکن را در اختیار شما قرار دهد.

باغ و همکارانش این مسئله را به صورت ریاضی به جدول صدق ترجمه کردند: 1si 0s، همه پیکربندی‌های ماز ممکن را نشان می‌دهد. آنها سپس این تنظیمات را در 16 معجون مختلف از چهار ماده شیمیایی ترسیم کردند. وجود یا عدم وجود هر یک از مواد شیمیایی مربوط به باز بودن یا مسدود شدن مربع معین در پیچ و خم است.

این تیم مجموعه های زیادی را طراحی کرده است E coli با مدارهای ژنتیکی مختلف که این مواد شیمیایی را شناسایی و تجزیه و تحلیل کردند. با هم، جمعیت باکتریایی مخلوط به عنوان یک کامپیوتر توزیع شده عمل می کند. هر یک از مجموعه‌های مختلف سلول‌ها، محاسباتی را با پردازش اطلاعات شیمیایی و حل یک ماز ​​انجام می‌دهند.

هنگام انجام یک آزمایش، دانشمندان ابتدا قرار دادند E coli در 16 لوله، یک مخلوط شیمیایی-لابیرنت متفاوت به هر یک از آنها اضافه شد و به باکتری اجازه رشد داد. بعد از 48 ساعت، اگر E coliهیچ مسیر واضحی را در پیچ و خم شناسایی نکرد – یعنی اگر مواد شیمیایی مورد نیاز وجود نداشت – سیستم تاریک باقی می ماند. اگر ترکیب شیمیایی صحیح وجود داشت، مدارهای مناسب روشن می شدند و باکتری ها پروتئین های فلورسنت را به رنگ های زرد، قرمز، آبی یا صورتی برای نشان دادن محلول ها بیان می کردند. باغ می گوید: «اگر راهی، راه حلی وجود داشته باشد، باکتری ها می درخشند.

کاتاکالی سرکار و سنگرام باغ

به خصوص برای باغا هیجان انگیز این بود که، در حین عبور از تمام 16 هزارتو، E coli شواهد فیزیکی ارائه کرده است که تنها سه مورد قابل حل هستند. باغ می گوید: «محاسبه این با استفاده از یک معادله ریاضی کار آسانی نیست. با این آزمایش می توانید خیلی راحت آن را تجسم کنید.»

اهداف بلند

باغ چنین رایانه ای بیولوژیکی را به کمک رمزنگاری یا استگانوگرافی (هنر و علم پنهان کردن اطلاعات) در نظر می گیرد که به ترتیب از پیچ و خم ها برای رمزگذاری و پنهان کردن داده ها استفاده می کند. با این حال، مفاهیم فراتر از این کاربردها به جاه طلبی های بلندپروازانه زیست شناسی مصنوعی گسترش می یابد.

ایده زیست شناسی مصنوعی به دهه 1960 برمی گردد، اما این رشته به طور خاص در سال 2000 با ایجاد مدارهای بیولوژیکی مصنوعی (به ویژه، یک کلید ضامن و یک نوسانگر) ظهور کرد که به طور فزاینده ای به سلول ها اجازه می داد تا برای تولید ترکیبات دلخواه برنامه ریزی شوند. برای پاسخگویی هوشمندانه به محیط های خود.