Przez większość historii informatyki zmienialiśmy skalę komputerów, ale niekoniecznie samą ich naturę. Wielkie szafy zajmujące pomieszczenia zmieniły się w pecety, te w laptopy i smartfony, a dziś potężne systemy obliczeniowe upychamy w centrach danych. W środku nadal jednak króluje mniej więcej ta sama filozofia – materia nieożywiona, tranzystory i sygnały elektryczne, które wykonują nasze rozkazy coraz szybciej oraz przy coraz mniejszym zużyciu energii. Jednak czy są szanse, że “komputer przyszłości” będzie właśnie taki? Czy może zacznie dosłownie “żyć”?
Pisałem już przecież zarówno o biologicznych komputerach wykorzystujących białkowe odpowiedniki tranzystorów, jak i o komputerach wykorzystujących grzyby. Zupełnie inną drogą idą zaś układy neuromorficzne, fotoniczne czy kwantowe. Teraz MIT dorzuciło do tej listy coś, co jeszcze bardziej zaciera granicę między maszyną a organizmem. Tym razem komputer może zwyczajnie żyć.
MIT stworzyło tranzystory z bakterii, ale na klasykę nie liczcie
Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology zmodyfikowali bakterie Pantoea agglomerans tak, aby pełniły funkcję elementów przypominających tranzystory. Następnie wydrukowali kolonie tych mikroorganizmów na pożywce agarowej, tworząc układy, które sami określają mianem żywych płytek drukowanych. Ile miała ona wspólnego z typowym procesorem?
W klasycznym układzie tranzystor steruje przepływem prądu i może reprezentować jeden z podstawowych stanów wykorzystywanych przez elektronikę cyfrową. Tutaj rolę informacji oraz połączeń przejmują cząsteczki chemiczne przesyłane pomiędzy koloniami bakterii. Naukowcy stworzyli dwa rodzaje takich biologicznych “tranzystorów”. Oba reagują na cząsteczkę OC-6, tyle że jeden zostaje przez nią aktywowany, a drugi wyłączony. Komórki wykrywają również drugi sygnał, OC-12, a zależnie od kombinacji stanów mogą wygenerować kolejną cząsteczkę – OHC-14. Ta staje się następnie informacją przekazywaną dalej.
Do tego dochodzą trzy kolejne szczepy pełniące funkcję przekaźników. Ich zadaniem jest odebranie sygnału chemicznego, przekształcenie go i przekazanie następnemu elementowi układu. W efekcie otrzymujemy coś, co funkcjonalnie zaczyna przypominać płytkę elektroniczną, bo mamy elementy wykonujące operacje oraz “przewody”, tyle że zamiast miedzianych ścieżek i elektronów wykorzystujemy w tym bakterie oraz dyfundujące między nimi cząsteczki.
Pięć rodzajów bakterii wystarczy, żeby budować różne układy
Samo zmuszenie komórki do wykonania prostej operacji logicznej nie jest nowością. Biologia syntetyczna bawi się takimi rozwiązaniami od lat, a część wcześniejszych osiągnięć była wręcz bardziej skomplikowana od tego, co naukowcy pokazali teraz.
Już w pracy opublikowanej w “Nature” w 2011 roku zespół, w którym uczestniczył również Christopher Voigt, wykorzystał bakterie E. coli, genetyczne bramki NOR oraz chemiczną komunikację pomiędzy komórkami do wykonywania różnych funkcji logicznych. Odpowiednie połączenie takich prostych elementów pozwalało uzyskiwać między innymi XOR. Jeszcze ciekawiej zrobiło się w badaniu opublikowanym we wrześniu 2024 roku. Naukowcy rozdzielili wtedy uproszczoną, 2-bitową wersję algorytmu MD5 pomiędzy aż 66 szczepów E. coli. Cały system obejmował 110 bramek logicznych i wymagał wprowadzenia łącznie około 1,1 MB dodatkowego DNA do genomów wykorzystywanych bakterii.
Czytaj też: Naukowcy zbudowali hamulec dla światła. Optyczne komputery dostały brakujący element
W starszym podejściu większa złożoność wymagała projektowania kolejnych wyspecjalizowanych komórek i całej infrastruktury genetycznej. Tymczasem w nowej architekturze badacze korzystają z zaledwie pięciu przygotowanych szczepów Pantoea agglomerans – dwóch typów tranzystorów oraz trzech przekaźników. Chcąc zmienić wykonywaną operację, nie muszą ponownie przeprojektowywać bakterii. Mogą po prostu inaczej rozmieścić je na powierzchni. Właśnie tutaj kryje się najważniejsza część tego osiągnięcia. Naukowcy nie tyle zbudowali “komputer z bakterii”, co stworzyli biologiczne komponenty, które zaczynają zachowywać się jak elementy prawdziwej platformy sprzętowej.
Funkcji układu nie definiuje już wyłącznie to, co zapisano wewnątrz każdej komórki, ale również sposób fizycznego połączenia gotowych elementów. Brzmi znajomo? W elektronice również nie projektujemy nowego tranzystora za każdym razem, gdy chcemy stworzyć inny procesor.
Żywa płytka drukowana powstaje z kropek oddalonych o około 5 mm
Sposób budowania tych układów dodatkowo wzmacnia skojarzenie z klasyczną elektroniką. Kolonie są nanoszone na agar w określonym wzorze, a odległość pomiędzy sąsiadującymi elementami wynosi około 5 mm. Nie jest ona przypadkowa, bo cząsteczki wykorzystywane do komunikacji dyfundują w otoczeniu, więc zbyt duża odległość mogłaby uniemożliwić skuteczne przekazanie sygnału. Zbyt mała z kolei zwiększałaby ryzyko, że informacja dotrze tam, gdzie nie powinna. Odpowiednie rozmieszczenie kolonii sprawia, że sygnał trafia przede wszystkim do najbliższego “węzła”, który może przekazać go dalej. W ten sposób zjawisko naturalnie kojarzone z chaotycznym rozchodzeniem się substancji chemicznych zaczyna pełnić funkcję przewodu.
Z tych klocków badacze złożyli między innymi układy wykonujące operacje logiczne “OR” oraz “IMPLY”, systemy przyjmujące wiele wejść, sumatory oraz demultiplekser. Ten ostatni jest szczególnie ciekawy, bo pobiera pojedynczy sygnał wejściowy i w zależności od sygnału sterującego kieruje go do jednego z kilku wyjść. Jest to jedna z tych funkcji, których odpowiedniki znajdziemy również w zwykłej elektronice cyfrowej. Największa konstrukcja demonstracyjna składała się z 24 kolonii bakterii.
Czytaj też: Naukowcy mają sześć nowych stopów do druku 3D. Wymyślił im je komputer
Mamy więc żywe komórki rozstawione jak elementy płytki drukowanej, sygnały chemiczne działające jak połączenia oraz układ, którego zachowanie można zmienić poprzez przesunięcie tych biologicznych komponentów. Tylko że jeden szczegół skutecznie sprowadza nas na ziemię – czas wykonywania, bo jedno obliczenie wykonywane przez układy MIT trwa około ośmiu godzin. Nie ośmiu mikrosekund, milisekund czy sekund. Godzin. Gdybyśmy próbowali wykorzystać te bakterie do typowego przetwarzania danych, nawet kalkulator z lat 70. prawdopodobnie wygrałby ten pojedynek bez najmniejszego wysiłku. Tyle że badacze wcale nie próbują wygrać z krzemem.
Po co komu komputer, który potrzebuje całej nocy na obliczenie?
Wyobraźcie sobie pole uprawne. Roślina przez tygodnie rośnie w ziemi, reaguje na zmiany wilgotności, grzyby, szkodniki, dostępność składników odżywczych i temperaturę. W takiej skali czasowej osiem godzin przestaje wyglądać absurdalnie i rzeczywiście MIT chce docelowo umieszczać podobne biologiczne układy na korzeniach albo liściach roślin. Bakterie mogłyby wtedy wykrywać kilka różnych sygnałów środowiskowych, wykonywać prostą operację logiczną i reagować dopiero wtedy, gdy spełniony zostanie określony zestaw warunków.
Czytaj też: 128 kubitów bez próżni i ciekłego helu. Komputery kwantowe wchodzą pod strzechy
Możliwości robią się znacznie ciekawsze, kiedy przestaniemy myśleć o tym jak o “procesorze”. Załóżmy bowiem, że roślina doświadcza stresu, ale sama obecność jednego sygnału nie wystarcza do stwierdzenia, czy powodem jest susza, patogen czy chwilowa zmiana warunków. Biologiczny układ mógłby odbierać kilka wejść jednocześnie i uruchamiać konkretną reakcję dopiero po spełnieniu odpowiedniej kombinacji. Badacze podają nawet przykład produkcji fungicydu po wykryciu zagrożenia grzybowego.
Wtedy cały “komputer” nie musiałby mieć przewodów, akumulatora, panelu słonecznego, modułu komunikacyjnego czy procesora. Jego elementy mogłyby zwyczajnie żyć tam, gdzie zachodzą procesy, które mają obserwować i oto nagle osiem godzin na wykonanie obliczenia przestaje przeszkadzać. Jeżeli roślina rozwija się przez miesiące, a infekcja postępuje przez dni, reakcja następująca przez noc może być wystarczająco szybka. Właśnie dlatego słowo “komputer” jest w tym przypadku jednocześnie trafne i mylące.
Źródła: MIT News, Nature Chemical Biology#1, Nature Chemical Biology#2, Nature
