E. coli در روده ما رشد می کند، گاهی اوقات اثرات ناخوشایندی دارد، و پیشرفت های علمی را تسهیل می کند – در DNA، سوخت های زیستی، و واکسن کووید فایزر، به نام چند مورد. اکنون این باکتری چند استعدادی یک ترفند جدید دارد: می‌تواند یک مشکل پیچ و خم محاسباتی کلاسیک را با استفاده از محاسبات توزیع‌شده حل کند – تقسیم محاسبات لازم بین انواع مختلف سلول‌های مهندسی شده ژنتیکی.
این شاهکار زیبا، اعتباری برای زیست شناسی مصنوعی است، که هدف آن ایجاد مدارهای بیولوژیکی بسیار شبیه مدارهای الکترونیکی و برنامه ریزی سلول ها به آسانی کامپیوترها است.
آزمایش ماز بخشی از چیزی است که برخی از محققان آن را جهت امیدوارکننده‌ای در این زمینه می‌دانند: به جای مهندسی کردن 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 میکروب‌های مهندسی‌شده با هماهنگی کار می‌توانند بیشتر شبیه شبکه‌های چند سلولی در طبیعت، «محاسبه» و حل مشکلات را انجام دهند.
تا کنون، چه خوب و چه بد، استفاده کامل از قدرت طراحی زیست‌شناسی از زیست‌شناسان مصنوعی ناامید و ناامید شده است. “طبیعت می تواند این کار را انجام دهد (در مورد یک مغز فکر کنید)، اما ما پاملا سیلور، زیست‌شناس مصنوعی در هاروارد می‌گوید که هنوز نمی‌دانم چگونه با استفاده از زیست‌شناسی در آن سطح پیچیده از پیچیدگی طراحی کنم.
مطالعه با E. coli به عنوان حل کننده های پیچ و خم، که توسط بیوفیزیکدان Sangram Bag در موسسه فیزیک هسته ای ساها در کلکته رهبری می شود، یک مشکل اسباب بازی ساده و سرگرم کننده است. اما همچنین به عنوان یک اثبات اصل برای محاسبات توزیع شده بین سلول ها عمل می کند و نشان می دهد که چگونه مسائل محاسباتی پیچیده تر و عملی تر را می توان به روشی مشابه حل کرد. اگر این رویکرد در مقیاس‌های بزرگ‌تر کار کند، می‌تواند برنامه‌های مربوط به همه چیز از داروسازی گرفته تا کشاورزی و سفرهای فضایی را باز کند.
دیوید مک‌میلن، مهندس زیستی در دانشگاه تورنتو می‌گوید: «همانطور که ما به سمت حل مشکلات پیچیده‌تر با سیستم‌های بیولوژیکی مهندسی شده پیش می‌رویم، توزیع بار مانند این ظرفیت مهمی برای ایجاد خواهد بود.»
چگونه یک ماز باکتریایی بسازیم
گرفتن E. coli برای حل مشکل پیچ و خم مستلزم مقداری نبوغ بود. باکتری ها در لابلای قصر پرچین های خوب هرس شده سرگردان نشدند. در عوض، باکتری ها پیکربندی های مختلف ماز را تجزیه و تحلیل کردند. راه‌اندازی: یک ماز در هر لوله آزمایش، که هر ماز توسط یک ترکیب شیمیایی متفاوت تولید می‌شود.
دستور العمل های شیمیایی از یک شبکه 2 × 2 که نشان دهنده مشکل ماز است انتزاع شد. مربع بالای سمت چپ شبکه شروع پیچ و خم است و مربع پایین سمت راست مقصد است. هر مربع روی شبکه می تواند یک مسیر باز یا مسدود باشد و 16 پیچ و خم های احتمالی را ایجاد کند.
باغ و همکارانش این مسئله را به صورت ریاضی به جدول صدق متشکل از ترجمه کردند 1شن 0s، همه پیکربندی‌های ماز ممکن را نشان می‌دهد. سپس آنها این تنظیمات را روی 16 ترکیب مختلف از چهار ماده شیمیایی ترسیم کردند. وجود یا عدم وجود هر یک از مواد شیمیایی مربوط به باز بودن یا مسدود شدن یک مربع خاص در ماز است.
تیم چندین مجموعه از E. coli با مدارهای ژنتیکی مختلف که آن مواد شیمیایی را شناسایی و تجزیه و تحلیل کردند. با هم، جمعیت مخلوط باکتری ها به عنوان یک کامپیوتر توزیع شده عمل می کند. هر یک از مجموعه های مختلف سلول بخشی از محاسبات را انجام می دهند، اطلاعات شیمیایی را پردازش می کنند و ماز را حل می کنند.
در اجرای آزمایش، محققان ابتدا آن را قرار دادند E. coli در 16 لوله آزمایش، مخلوطی از پیچ و خم های شیمیایی متفاوت در هر کدام اضافه شد و باکتری ها رشد کردند. پس از 48 ساعت، اگر E. coli هیچ مسیر واضحی را از طریق پیچ و خم شناسایی نکرد – یعنی اگر مواد شیمیایی لازم وجود نداشت – سیستم تاریک باقی می ماند. اگر ترکیب شیمیایی صحیح وجود داشت، مدارهای مربوطه «روشن» می‌شدند و باکتری‌ها در مجموع پروتئین‌های فلورسنت را به رنگ‌های زرد، قرمز، آبی یا صورتی بیان می‌کردند تا محلول‌ها را نشان دهند. باغ می گوید: «اگر راه، راه حلی وجود داشته باشد، باکتری ها می درخشند.
کاتاکالی سرکار و سنگرام باغ
چیزی که باغ به‌ویژه هیجان‌انگیز می‌دانست این بود که در هر 16 پیچ و خم، هجوم برد E. coli اثبات فیزیکی ارائه کرد که تنها سه مورد قابل حل بودند. باغ می گوید: «محاسبه این با یک معادله ریاضی ساده نیست. “با این آزمایش، می توانید آن را خیلی ساده تجسم کنید.”
اهداف بلند
باغ چنین رایانه بیولوژیکی را در 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 کنند. اما پیامدها فراتر از این کاربردها به جاه طلبی های بلندتر زیست شناسی مصنوعی گسترش می یابد.
ایده زیست شناسی مصنوعی به دهه 1960 برمی گردد، اما این زمینه به طور ملموس در سال 2000 با ایجاد مدارهای بیولوژیکی مصنوعی (به طور خاص، یک کلید ضامن و یک نوسانگر) ظهور کرد که برنامه ریزی سلول ها برای تولید ترکیبات مورد نظر یا واکنش هوشمندانه در داخل را امکان پذیر ساخت. محیط های آنها