E. coli biodators atrisina labirintu, daloties darbā

Andrea Hronopuls

E. coli Tas plaukst mūsu zarnās, dažreiz līdz neveiksmīgai ietekmei, un tas veicina zinātnes sasniegumus — DNS, biodegvielu un Pfizer Covid vakcīnas, lai nosauktu tikai dažus. Tagad šai daudztalantīgajai baktērijai ir jauns triks: tā var atrisināt klasisku skaitļošanas labirinta problēmu, izmantojot sadalīto skaitļošanu, sadalot nepieciešamos aprēķinus starp dažādiem ģenētiski modificētu šūnu veidiem.

Šis veikls varoņdarbs ir sintētiskās bioloģijas nopelns, kuras mērķis ir izveidot bioloģiskās shēmas līdzīgi kā elektroniskās shēmas un programmēt šūnas tikpat viegli kā datorus.

Labirints eksperiments t ir daļa no tā, ko daži pētnieki uzskata par daudzsološu virzienu šajā jomā: tā vietā, lai izstrādātu viena veida šūnas, lai veiktu visu darbu, viņi izstrādā vairāku veidu šūnas, katrai no tām ir atšķirīgas funkcijas, lai paveiktu darbu. Strādājot saskaņoti, šie inženierijas mikrobi varētu būt spējīgi aprēķināt un atrisināt problēmas, piemēram, daudzšūnu tīklus savvaļā.

Līdz šim, labāk vai sliktāk, sintētiskie biologi nav pilnībā izmantojuši bioloģijas dizaina spējas, un tie ir sarūgtināti. Daba to var izdarīt (padomājiet par smadzenēm), bet mēs vēl nezinu, kā projektēt tik ārkārtīgi sarežģītā līmenī, izmantojot bioloģiju, saka Pamela Silvera, Hārvardas sintētiskās bioloģe.

Pētījums ar E. coli Kā labirintu risinātāji, ko vada biofiziķis Sangrams Bags Sahas Kodolfizikas institūtā Kolkatā, ir vienkārša un jautra rotaļlietu problēma. Bet tas arī kalpo kā principa pierādījums sadalītai skaitļošanai starp šūnām, parādot, kā līdzīgā veidā var atrisināt sarežģītākas un praktiskākas skaitļošanas problēmas. Ja šī pieeja darbojas lielākā mērogā, tā varētu atbloķēt lietojumprogrammas, kas attiecas uz visu, sākot no farmācijas līdz lauksaimniecībai un beidzot ar kosmosa ceļojumiem.

Tā kā mēs virzāmies uz sarežģītāku problēmu risināšanu ar inženiertehniskām bioloģiskām sistēmām, šādas slodzes sadalīšana būs svarīga spēja, ko var izveidot, saka Deivids Makmilens, Toronto universitātes bioinženieris.

Kā izveidot baktēriju labirintu

Getting E. coli lai atrisinātu labirinta problēmu, bija nepieciešama zināma atjautība. Baktērijas neklīst pa labi apgrieztu dzīvžogu pils labirintu. Drīzāk baktērijas analizēja dažādas labirinta konfigurācijas. Uzstādīšana: viens labirints katrā mēģenē, un katrs labirints tiek ģenerēts ar dažādu ķīmisku maisījumu.

Ķīmiskās receptes tika iegūtas no 2 × 2 režģa, kas attēlo labirinta problēmu. Režģa augšējais kreisais kvadrāts ir labirinta sākums, bet apakšējais labais kvadrāts ir galamērķis. Katrs kvadrāts uz režģa var būt vai nu atvērts ceļš, vai bloķēts, radot 16 iespējamos labirintus.

Bags un viņa kolēģi matemātiski tulkoja šo problēmu patiesības tabulā, kas sastāv no viens smiltis 0 s, parādot visas iespējamās labirinta konfigurācijas. Pēc tam viņi šīs konfigurācijas kartēja 16 dažādos četru ķīmisko vielu veidojumos. Katras ķīmiskās vielas klātbūtne vai neesamība atbilst tam, vai konkrētais laukums ir atvērts vai bloķēts labirintā.

Komanda izstrādāja vairākus komplektus E. coli ar dažādām ģenētiskām shēmām, kas atklāja un analizēja šīs ķīmiskās vielas. Kopā jauktā baktēriju populācija darbojas kā sadalīts dators; katra no dažādajām šūnu kopām veic daļu no aprēķina, apstrādājot ķīmisko informāciju un atrisinot labirintu.

Veicot eksperimentu, pētnieki vispirms izvirzīja E. coli 16 mēģenēs, katrā pievienoja dažādu ķīmisko labirintu maisījumu un atstāja baktērijas vairoties. Pēc 48 stundām, ja E. coli Nekonstatēja skaidru ceļu caur labirintu, tas ir, ja nebija nepieciešamo ķīmisko vielu, tad sistēma palika tumša. Ja bija pareizā ķīmiskā kombinācija, tika ieslēgtas atbilstošās shēmas un baktērijas kopīgi ekspresēja fluorescējošus proteīnus dzeltenā, sarkanā, zilā vai rozā krāsā, lai norādītu šķīdumus. Ja ir ceļš, risinājums, baktērijas spīd, saka Bagh.

Tiek parādītas četras no 16 iespējamām labirinta konfigurācijām. Diviem labirintiem pa kreisi nav brīvu ceļu no sākuma līdz galamērķim (aizšķērsoto/ēnoto laukumu dēļ); tādējādi risinājuma nav, un sistēma ir tumša. Diviem labirintiem labajā pusē ir skaidri celiņi (balti kvadrāti), tāpēc E. coli labirints atrisinātājs spīd — baktērijas kolektīvi ekspresē fluorescējošus proteīnus, norādot šķīdumus.

KATHAKALI SARKAR UN SANGRAM BAGH

Bagam īpaši aizraujoši šķita tas, ka, kuļot cauri visiem 16 labirintiem, E. coli sniedza fizisku pierādījumu, ka tikai trīs bija atrisināmi. Viņš saka, ka to aprēķināt ar matemātisko vienādojumu nav vienkārši. Izmantojot šo eksperimentu, jūs varat to vizualizēt ļoti vienkārši.

Augsti mērķi

Bags paredz šādu bioloģisku datoru, kas palīdzētu kriptogrāfijā vai steganogrāfijā (informācijas slēpšanas mākslā un zinātnē), kas izmanto labirintus, lai šifrēt un noslēpt datus, attiecīgi. Taču sekas pārsniedz šos lietojumus sintētiskās bioloģijas augstākajām ambīcijām.

Ideja par sintētiskā bioloģija datēti ar 1960. gadiem, bet joma konkrēti parādījās 2000. gadā, izveidojot sintētiskās bioloģiskās ķēdes (konkrēti, pārslēgšanas slēdzis un an oscilators ), kas ļāva arvien vairāk programmēt šūnas, lai tās ražotu vēlamos savienojumus vai saprātīgi reaģētu savā vidē.

Saistīts stāsts

Vai Ginkgo sintētiskās bioloģijas stāsts ir 15 miljardu dolāru vērts?

Džeisons Kellijs ir apsolījis ražošanas revolūciju ar DNS. Vienkārši nelūdziet viņam izgatavot nekādus produktus.

Tomēr bioloģija nav bijusi vislabvēlīgākā no līdzstrādniekiem. Viens ierobežojošais faktors ir tas, cik daudz izmaiņu jūs varat veikt šūnā, neiznīcinot tās dzīvotspēju. Šūnai ir savas intereses, saka Makmilens, kura laboratorija izstrādā uz raugu balstītu sistēmu, kas nosaka malārijas antivielas asins paraugos un līdzīgu sistēmu Covid. Ievietojot cilvēka izstrādātus komponentus bioloģiskajā sistēmā, viņš saka, ka jūs cīnāties pret dabisko atlasi un entropiju, kas ir divas no lielākajām dabas spēku ziņām.

Piemēram, ja šūna ir pārslogota ar pārāk daudziem doodadiem, pastāv traucējumu un šķērsrunu risks, kas kavē veiktspēju un ierobežo sistēmas iespējas. Bagh saka, ka ar skaitļošanas labirintu risinātājiem algoritmu varēja ieprogrammēt tikai viena veida E. coli šūna. Bet sistēma darbojās vislabāk, ja vajadzīgās ķēdes funkcijas tika sadalītas starp sešu veidu šūnām.

Ir fizisks ierobežojums, cik daudz ģenētisko daļu var izmantot vienā šūnā, saka Kārena Polici, Londonas Imperiālās koledžas ķīmijas inženiere, kura izstrādā šūnu biosensorus, lai uzraudzītu terapeitisko proteīnu un vakcīnu ražošanu. Tas ierobežo to skaitļošanas koncepciju sarežģītību, kuras var izstrādāt.

Viņa piebilst, ka izkliedētā skaitļošana patiesībā varētu būt veids, kā sasniegt dažus [sintētiskās bioloģijas] patiešām cēlos mērķus. Jo jūs nekādā gadījumā nevarēsit panākt, lai šūna pati pilnībā veiktu sarežģītu uzdevumu.

Šūnu pārākums

Kriss Voigts, MIT sintētiskais biologs (un galvenais redaktors ACS sintētiskā bioloģija, kas publicēja Bagas rezultātu), uzskata izkliedētā skaitļošana ir virziens, kurā jāiet sintētiskajai bioloģijai.

Pēc Voigta domām, lielās ambīcijas attiecībā uz mikrobu šūnām ir pamatotas, un viņš ir veicis aprēķinus, lai to pamatotu. Viņš saka, ka vienā tējkarotē baktēriju ir vairāk loģikas vārtu nekā, manuprāt, 2 miljardos Xeon procesoru. Un tam DNS ir vairāk atmiņas nekā visam internetam. Bioloģijai ir neticama skaitļošanas jauda, ​​un tā to dara, sadalot to pa milzīgu skaitu šūnu. Bet ir arī brīdinājumi: vārti tiek apstrādāti 20 minūtes, tāpēc tas ir ļoti lēns.

Pagājušajā gadā Voigt un līdzstrādniekiem izdevās ieprogrammēt DNS ar kalkulatora algoritmu un ģenerēt digitālais displejs ar fluorescēšanu E. coli . Viņi izmantoja Voigt laboratorijas izveidoto programmatūru, ko sauc par Cello. Cello ņem failus no Verilog — programmēšanas valodas, ko izmanto ķēžu aprakstīšanai un modelēšanai — un pārvērš tos DNS, lai šūnās varētu palaist tādas pašas konfigurācijas. Visas shēmas, kas paredzētas E. coli tomēr kalkulators bija saspiests viena veida šūnā, vienā kolonijā. Viņš atzīst, ka mēs esam sasnieguši ierobežojumu. Mums ir jāizdomā, kā izveidot lielākus dizainus.

Pat ja pētnieki vēlētos darbināt kaut ko tik zemu jaudu saskaņā ar mūsdienu standartiem kā Apollo 11 vadības sistēmas baktērijās, Voigt saka, ka to nevar izdarīt vienā inženierijas šūnā. Viņš saka, ka jauda ir. Mums vienkārši ir nepieciešami veidi, kā sadalīt algoritmu šūnās un pēc tam saistīt šūnas, lai efektīvi koplietotu informāciju, lai tās varētu kopīgi veikt aprēķinus.

Patiešām, Voigt apšauba, vai tradicionālās elektroniskās skaitļošanas tieša atdarināšana ir labākā pieeja bioloģijas skaitļošanas jaudas izmantošanai un sarežģītu bioloģisku problēmu risināšanai.

Meklējot pareizo pieeju, Bags nesen arī izdomāja veidu mākslīgais neironu tīkls baktēriju aparatūras arhitektūra. Un viņš ir ieinteresēts izpētīt pieeju, kas ietver neskaidru loģiku, pārsniedzot bināros ierobežojumus. 0 smiltis viens s virzienā uz kontinuumu, kas vairāk saskaņots ar dzīvo bioloģisko sistēmu troksni un jucekli.

Sintētiskais biologs Angels Goni-Moreno no Madrides Tehniskās universitātes domā līdzīgi. Ja mēs spēlēsim ar dzīvām tehnoloģijām, mums ir jāspēlē pēc dzīvo sistēmu noteikumiem, viņš saka.

Goņi-Moreno iztēlojas, ka pārtrauc elektroniskās shēmas analoģiju, izmantojot to, kā šūnas uztver un reaģē, un pielāgoties savai videi , izmantojot pašu dabisko atlasi kā rīku, lai virzītu skaitļošanas projektus. Viņš saka, ka evolūcija ir bioloģisks process, kas laika gaitā aprēķina informāciju, optimizējot šūnu sistēmas, lai veiktu dažādus uzdevumus.

Goñi-Moreno uzskata, ka šī pieeja galu galā varētu kulminēties ar to, ko viņš sauc šūnu pārākums . Šis termins velk apzinātu paralēli ar kvantu pārākumu (tagad to dažreiz sauc par kvantu pārākumu) — punktu, kurā kvantu datori pārsniedz parastās skaitļošanas iespējas noteiktos domēnos. Goñi-Moreno saka, ka biodatori, kas ir attīstījušies tādā mērā, varētu piedāvāt izcilu problēmu risināšanas prasmi tādās jomās kā lauksaimnieciskās ražošanas uzlabošana (domājiet par augsnes baktērijām, kas var pielāgot to radītās ķīmiskās vielas, pamatojoties uz mainīgiem apstākļiem) un slimību terapijas mērķa sasniegšanai.

Vienkārši negaidiet E. coli lai palīdzētu sērfot internetā vai atrisināt P pret NP problēmu — Šim nolūkam mums joprojām būs nepieciešami labi vecmodīgi datori.

paslēpties