Odpowiedź jest prosta. W przyszłości podobne układy mogłyby pozwolić roślinom samodzielnie wykrywać suszę, choroby czy ataki szkodników i odpowiednio na nie reagować. Taki pomysł przypomina klasyczną elektronikę, lecz zamiast przewodów, tranzystorów i układów scalonych wykorzystuje żywe komórki. W zwykłym komputerze tranzystor działa jak przełącznik, który kontroluje przepływ prądu. W biologicznym odpowiedniku stworzonym przez zespół z MIT przełącznik kontroluje przepływ niewielkich cząsteczek chemicznych, które przekazują informację do kolejnych elementów układu.
Podstawą eksperymentu stał się bakterie z gatunku Pantoea agglomerans. Ten naturalnie występuje między innymi na powierzchniach roślin. Autorzy publikacji zamieszczonej w Nature Chemical Biology zmodyfikowali jego komórki tak, aby mogły działać jak dwa różne rodzaje tranzystorów. Oba reagują na określone cząsteczki chemiczne, ale w odmienny sposób. Dzięki temu jeden typ uruchamia się w reakcji na konkretny sygnał, podczas gdy drugi zostaje przez niego wyłączony.
Czytaj też: Fizycy rozwiązali zagadkę mionu. Teraz mają kolejny problem
To jednak nie wystarczyłoby do stworzenia bardziej skomplikowanego układu. Właśnie dlatego członkowie zespołu badawczego przygotowali również trzy dodatkowe szczepy bakterii pełniące funkcję przekaźników. Ich zadaniem jest odbieranie sygnału z jednego tranzystora i przekształcanie go w komunikat, który może trafić do kolejnego elementu. W ten sposób naukowcy mogą łączyć poszczególne kolonie bakterii podobnie jak elementy elektronicznego obwodu.
Zamiast budować cały układ w pojedynczej komórce, rozdzielili jego funkcje pomiędzy wiele kolonii. Ma to istotną zaletę, ponieważ w tradycyjnej biologii syntetycznej umieszczanie zbyt wielu elementów w jednej komórce może przeciążać jej mechanizmy produkcji białek i powodować niepożądane interakcje pomiędzy poszczególnymi obwodami.
Tutaj bakterie można natomiast rozmieszczać na powierzchni agaru, czyli żelowego podłoża wykorzystywanego do hodowli mikroorganizmów. Kolonie są drukowane w określonym układzie, w odległości około 5 milimetrów od siebie. Dzięki temu sygnały chemiczne przemieszczają się przede wszystkim do najbliższej kolonii, a następnie trafiają dalej.
Naukowcy zbudowali w ten sposób między innymi układy wykonujące operacje logiczne, a także bardziej złożone obwody. Największy z zaprezentowanych składał się z 24 kolonii bakterii i potrafił dodawać do siebie dwa sygnały wejściowe. Badacze stworzyli również układ mogący przetwarzać kilka sygnałów jednocześnie oraz demultiplekser, czyli obwód pozwalający skierować jeden sygnał wejściowy do wybranego miejsca w zależności od dodatkowego sygnału sterującego.
Czytaj też: Naukowcy badają nowe źródło energii. Ich silnik przenosi prawa termodynamiki do kwantowego świata
Nie oznacza to jednak, iż bakterie mogą konkurować z procesorami opartymi na krzemie. Obliczenia biologiczne są niezwykle powolne w porównaniu ze współczesną elektroniką. Jeden cykl działania zaprojektowanych układów trwa około ośmiu godzin. Dla komputera jest to naprawdę długo, lecz sami zainteresowani podkreślają, że ich celem nie jest zastąpienie smartfonów czy komputerów.
Cel jest zupełnie inny: dodanie możliwości obliczeniowych bezpośrednio do organizmów żywych. W przyszłości takie bakterie mogłyby trafić do korzeni bądź liści roślin. W takiej sytuacji odpowiadałyby za analizę obecności określonych substancji chemicznych, rozpoznawanie oznak stresu oraz uruchamianie odpowiedniej reakcji biologicznej. Wykrycie określonego zestawu sygnałów mogłoby uruchomić produkcję związku chroniącego roślinę przed chorobą. Na ten moment opisywana technologia powinna być przede wszystkim platformą do budowania coraz bardziej złożonych biologicznych układów obliczeniowych.
Źródło: Nature Chemical Biology
