Бактерии объединили в живые схемы, способные выполнять вычисления: видео

Для транзисторов выбрали бактерию Pantoea agglomerans, которая обычно живет на разных поверхностях, включая растения. На ее основе сделали два типа переключателей, срабатывающих от молекулы OC-6 — один тип она включает, другой выключает. Каждый транзистор также распознает молекулу-мишень OC-12. В зависимости от ее присутствия и состояния переключателя транзисторы производят на выходе молекулу OHC-14.

Еще три штамма Pantoea agglomerans работают ретрансляторами — переводят сигнал OHC-14 в форму, понятную следующему транзистору. Именно с их помощью транзисторы «соединяют проводами», как элементы обычной платы.

Колонии печатают на чашках с агаром — питательной средой — на расстоянии около 5 миллиметров друг от друга. Это гарантирует, что сигнал доходит только до ближайшей соседней колонии, а та передает его дальше — так информация движется строго в одном направлении.

Исследователи показали транзистор, который в зависимости от своего положения в схеме способен выполнять разные логические операции — например, реагировать сразу на несколько входов, срабатывать по принципу «или» (хотя бы от одного сигнала) или по принципу логического следования, когда один сигнал определяет реакцию схемы на другой. Также собрали более сложные конструкции: они складывают два сигнала, обрабатывают несколько одновременно или работают демультиплексором — направляют один входящий сигнал по одному из нескольких маршрутов в зависимости от управляющего импульса.

Самая крупная из собранных схем — сумматор двух входных сигналов — состоит из 24 связанных между собой бактериальных колоний.

«Эта работа показывает, что можно продвигаться к более сложным функциям, соединяя простые функции отдельных клеток, — говорит Войт. — С точки зрения вычислений нет ничего такого, что умеет ваш iPhone, но не смогли бы эти схемы».

Одна операция в такой схеме занимает около восьми часов — заметно дольше, чем в электронном чипе. Но для биологических задач это приемлемый темп.

«Мы не пытаемся заменить компьютеры — мы хотим встроить вычислительный контроль прямо в биологию. Если бактерии живут на корнях растения, простой расчет за одну ночь — это вполне быстро относительно целого сезона роста», — объясняет Войт.

Если технологию адаптируют для сельского хозяйства, такие схемы можно будет наносить на корни растений для обнаружения разных типов стресса. Распознав сигнал опасности, схема сможет запустить ответную реакцию — например, синтез вещества против грибковой инфекции.

Выведены дрожжи, различающие цвета

Создан первый искусственный молекулярный двигатель, который ходит по ДНК

Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX