Kuvittele piirilevy, joka kasvaa. Pienet koloniat korvaavat sirut; kemialliset kuiskaukset välittävät tietoa elektronien sijaan. Se kuulostaa tieteiskirjallisuudelta, mutta MITin tutkijat ovat rakentaneet juuri sen: painetun, elävän piirin, joka on tehty muunnelluista bakteereista.
Sen sijaan, että koko looginen verkko ahtaisi yhteen soluun, ryhmä muokkasi yksittäisiä mikrobeja toimimaan transistorien ja releiden tapaan. Kaksi kantaa käyttäytyy kytkimiltä vaikuttavina transistoreina ja kolme muuta toimivat signaalimuuntajina. Yhdessä ne muodostavat joustavan työkalupakin, joka kykenee reitittämään ja käsittelemään signaaleja Petri-maljalla.
Tutkimus keskittyy Pantoea agglomeransiin, pintabakteeriin, jota tavataan usein kasveilla. Tutkijat ohjelmoivat kaksi transistorivarianttia, jotka reagoivat OC-6-nimiseen sisääntulomolekyyliin; toinen kytkeytyy päälle OC-6:n läsnä ollessa, toinen kytkeytyy pois päältä. Molemmat tyypit tunnistavat myös toisen molekyylin, OC-12:n, ja tuottavat alavirtaan menevää signaalimolekyyliä OHC-14:ää vain tietyissä olosuhteissa. Relekannat sitten muuntavat OHC-14:n uusiksi lähtösignaaleiksi ja välittävät viestin eteenpäin kuin johtimet piirilevyllä.
Fyysinen asettelu ratkaisee. Koloniat tulostettiin agar-levylle noin viiden millimetrin välein niin, että kukin kemiallinen signaali saavuttaa vain lähimmän naapurinsa. Rajoittunut diffuusio luo hallitun, vaiheittaisen tiedonkulun ja kytkee komponentit käytännössä yhteen suuntaan. Tutkijat hyödynsivät tätä ominaisuutta rakentaakseen kaksisuuntaisia kytkimiä, demultiplekseröitä, summareita ja muita loogisia järjestelyjä sijoittamalla koloniat eri kuvioihin.
Tutkijat loivat piirejään tulostamalla bakteerikolonioita agarilla päällystetyille lautasille, jotka toimivat kasvualustana. Tämä GIF näyttää bakteerien kasvun ajassa yli seitsemän päivän aikana.
Yksi transistori voi ottaa useita loogisia rooleja riippuen siitä, missä kohtaa verkkoa se sijaitsee: monitulokytkimistä OR-portteihin ja jopa implikaatiotoimintoihin. Ryhmä kokosi piirejä, jotka summaavat kaksi sisääntuloa, sekä demultiplekserin, joka ohjaa yksittäisen signaalin valituille lähtöille. Suurin demonstraatio yhdisti 24 koloniaa suorittamaan yhteenlaskun, mikä todistaa, että monimutkaisempia toimintoja voi syntyä yksinkertaisemmista, yksisoluisista osista.
Nämä elävät piirit ovat hitaita, kukin laskutoimitus etenee tunneissa eikä nanosekunneissa, mutta ne on optimoitu biologiaa varten, eivät suorituskykymittareita.
Nopeuden ohella arvo on siinä, että laskenta sijoitetaan sinne, missä biologiset päätökset jo tehdään. Kasvin lehti tai juuri, johon on liitetty bakteeripiiri, voisi valvoa paikallisia olosuhteita, kuten kuivuusstressiä, taudinaiheuttajien hyökkäyksiä ja ravinnesignaaleja, ja laukaista kohdennettuja biologisia vastauksia, esimerkiksi tuottamalla suojaavaa yhdistettä. Yöaikainen käsittely on nopeaa, kun kiinnostavan aikaikkunan mittakaava on kasvukausi.
Teknisesti järjestelmä perustuu molekulaarisiin tuloihin (OC-6, OC-12) ja lähtöihin (OHC-14) käyttäytymisen orkestroimiseksi, ja viiden kannan modulaarinen rakenne mahdollistaa monia eri piirikaavioita. Tutkijat havainnollistivat järjestelmää myös visuaalisesti tulostamalla koloniat, jotka kasvavat ja kommunikoivat useiden päivien ajan, paljastaen elävän logiikan koreografian toiminnassa.
Edessä on haasteita: toimintavarmuus monimutkaisissa ympäristöissä, toiminnan ylläpitäminen todellisilla kasvipinnoilla ja turvallisuuden sekä eristyksen varmistaminen. Mutta konsepti uudelleenmäärittää itse laskennan, siirtäen sen pois piistä ja suoraan ekosysteemeihin, jotka voivat käyttää sitä välittömästi. Jos piirejä voidaan tulostaa lehdille tai upottaa juuriin, millaisia uusia maatalouden älyratkaisuja voisi puhjeta yön aikana?
"Olen tutkijatohtori fysiikan alalta ja haluan tuoda tieteen saavutukset kaikkien ulottuville. Genomissa kirjoitan selkeästi uusista keksinnöistä ja tutkimuksista."
Keskustelu
Jätä kommentti
Kommentit
Ei vielä kommentteja. Ole ensimmäinen.