Инженеры Массачусетского технологического института (MIT) научили бактерии работать как транзисторы и собрали из них «живую печатную плату» — колонию клеток, которая проводит логические вычисления химическими сигналами вместо электрических. За основу команда взяла прием, который десятилетиями работает в обычных чипах: логику на проходных транзисторах (pass-transistor logic), она сокращает число элементов схемы, пропуская сигнал напрямую через транзистор вместо отдельного логического вентиля на каждом шаге. Тот же принцип инженеры перенесли на бактерии Pantoea agglomerans — вид, который в природе живет на поверхности растений. Получилось два типа «транзисторов», условно N- и P-типа, как в кремниевых чипах, только вместо тока они управляют потоком молекул. Три дополнительных штамма работают как реле и передают сигнал от одной колонии к следующей строго в одном направлении.
Схему печатают на чашке Петри акустическим дозатором (лабораторный робот, который переносит крошечные капли жидкости ультразвуком), колонии ложатся на агар с шагом около 5 мм, и сигнал успевает добраться только до ближайшего соседа. Из этих пяти штаммов, меняя лишь их расположение на плате и не трогая генетический код, команда собрала логические элементы «ИЛИ» и «импликация», демультиплексор (схема, которая направляет входящий сигнал в одно из нескольких мест по управляющему сигналу), а также полусумматор и сумматор — те же узлы, что складывают числа внутри обычного процессора. Самая крупная из собранных схем объединила 24 колонии.
При таком внешнем сходстве с кремнием разница все равно принципиальная. Обычный чип решает задачу за наносекунды, а бактериальной колонии на одно вычисление нужно около восьми часов: сигнал должен физически продиффундировать через питательную среду от клетки к клетке. Электронную плату нельзя перепрограммировать иначе как переписав код или перепаяв дорожки, а здесь новую логику получают, просто перепечатав те же пять штаммов в другом порядке — примерно как поменять функцию платы, переставив местами уже готовые детали.
Кремниевую логику эта система напоминает не только устройством, но и подходом к масштабированию. Раньше в синтетической биологии всю схему пытались уместить в одну клетку и упирались в перегрузку ее белок-синтезирующего аппарата, а заодно и в нехватку независимых друг от друга регуляторных молекул. Ученые из MIT пошли другим путем и распределили функции между специализированными колониями: каждая отвечает за свою простую операцию, а сложность рождается из их совместной работы.
Компьютер на бактериях в принципе не обгонит смартфон, и создатели это признают. «Мы не пытаемся заменить компьютеры, мы хотим встроить вычислительное управление прямо в биологию», — сказал руководитель исследования Кристофер Войгт. Восемь часов на операцию — непозволительная медлительность для процессора, но вполне разумный темп там, где и без того все происходит долго: рост растения, заражение почвы, развитие болезни за сезон. Ближайшая цель команды — покрыть такими колониями корни или листья растений, чтобы те сами распознавали засуху, вредителей или инфекцию и включали ответную реакцию, например синтез фунгицида, без датчиков, проводов и связи с Интернет-облаком.
Практически это открывает путь к распределенным биологическим сенсорам, которые объединяют сразу несколько слабых химических сигналов в одно решение вместо разрозненных измерений. Тот же прием годится и для биореакторов или систем экологического мониторинга, где переключение стадий процесса тоже завязано на концентрацию нужных молекул. Перенос с чашки агара на настоящий грунт добавляет переменные, которых в лаборатории не было: конкуренцию с природным микробиомом почвы, диффузионные помехи, генетический дрейф схемы за недели работы и разрешение регулятора на выпуск инженерных бактерий в поле.
