پژوهشگر ایرانی موفق شد باکتری‌ را به ترانزیستور تبدیل کند!

به گزارش اطلاعات آنلاین، محققان MIT ترانزیستورهای باکتریایی ایجاد کرده‌اند که می‌توانند به مدارهای زنده‌ای متصل شوند که قادر به انجام محاسبات و هدایت سیگنال‌های شیمیایی هستند. روزی، این رایانه‌های بیولوژیکی می‌توانند ریشه‌ها یا برگ‌های گیاهان را بپوشانند، تهدیدات محیطی را تشخیص دهند و به طور خودکار دفاع را فعال کنند.

آنها باکتری‌ها را طوری مهندسی کرده‌اند که مانند ترانزیستورها عمل کنند و «بردهای مدار» زنده‌ای ایجاد کنند که می‌توانند روی مواد رشد درون ظرف پتری چاپ شوند.

در الکترونیک آنالوگ، ترانزیستورها نقش سوئیچ‌هایی را دارند که کنترل می‌کنند آیا جریان الکتریکی می‌تواند از یک مدار عبور کند یا خیر. در سیستم جدید MIT، سلول‌های باکتریایی مهندسی‌شده با تنظیم حرکت مولکول‌های سیگنالینگ کوچک، نقش مشابهی دارند. این مولکول‌ها اطلاعات را به سایر اجزای مدار بیولوژیکی منتقل می‌کنند.

محققان دو نوع ترانزیستور باکتریایی و سه سویه باکتریایی اضافی ایجاد کردند که به عنوان رله بین آنها عمل می‌کنند. این پنج سویه در کنار هم، مجموعه‌ای مدولار از اجزا را فراهم می‌کنند که می‌توان آنها را برای ساخت تقریباً هر نوع مداری تنظیم کرد. در مطالعه جدید، تیم مدارهایی را نشان داد که قادر به اضافه کردن دو یا سه ورودی و هدایت یک ورودی واحد به سمت یک مقصد انتخاب شده هستند.

حمید دوست‌حسینی، دانشجوی فوق دکترای MIT و پژوهشگر اصلی مطالعه جدید، می‌گوید: «ما برخی از اجزای اولیه معماری کامپیوتر را ساخته‌ایم که معمولاً استفاده می‌شوند، اما هر عملیاتی را می‌توان با این پنج سویه ساخت.»

یکی از کاربردهای بالقوه، قرار دادن این مدارهای زنده روی برگ‌ها یا ریشه‌های گیاه است. در آنجا، باکتری‌ها می‌توانند اطلاعات مربوط به شرایط محیطی را پردازش کرده و به گیاهان در تشخیص و پاسخ به تنش‌هایی مانند خشکسالی یا حملات آفات کمک کنند.

تبدیل سلول‌های باکتریایی به ترانزیستور

مدارهای زیست‌شناسی مصنوعی معمولاً توسط سلول‌های مهندسی‌شده ساخته می‌شوند تا پروتئین‌ها و فاکتورهای رونویسی را تولید کنند که با یکدیگر تعامل دارند. این سیستم‌ها را می‌توان برای انجام وظایفی مانند تشخیص یک مولکول خاص و سپس تولید یک پاسخ خاص برنامه‌ریزی کرد.

چنین مدارهایی می‌توانند عملکردهای منطقی متفاوتی را انجام دهند، اما پیچیدگی آنها محدود است. محققان عموماً برای عملیات جداگانه به فاکتورهای رونویسی متمایز نیاز دارند تا سیگنال‌ها با یکدیگر تداخل نداشته باشند. از آنجا که فقط تعداد محدودی از فاکتورهای رونویسی مناسب در دسترس هستند، یک سقف عملی برای میزان پیچیدگی یک مدار در داخل یک سلول واحد وجود دارد. قرار دادن مدارهای زیاد در یک سلول همچنین می‌تواند ماشین‌آلات تولید پروتئین آن را تحت الشعاع قرار دهد.

تیم MIT به طور متفاوتی به این مشکل نزدیک شد. آنها به جای قرار دادن یک مدار کامل در داخل یک سلول، سلول‌های منفرد را مهندسی کردند تا به عنوان اجزای ترانزیستور مانندی عمل کنند که می‌توانند در ترتیب‌های مختلف به هم متصل شوند.

برای این اجزا، محققان از گونه Pantoea agglomerans استفاده کردند، باکتری‌ که معمولاً روی سطوح از جمله گیاهان رشد می‌کند. آنها دو نسخه از ترانزیستورهای باکتریایی را مهندسی کردند که به مولکولی به نام OC 6 پاسخ می‌دهند. یک نوع هنگام مواجهه با مولکول روشن می‌شود؛ در حالی که نوع دیگر خاموش می‌شود.

هر ترانزیستور همچنین یک مولکول هدف دوم یا OC 12 را حس می‌کند. بسته به این که OC 12 وجود داشته باشد و اینکه ترانزیستور فعال شده باشد، سلول باکتریایی یک مولکول خروجی به نام OHC 14 تولید می‌کند.

اتصال سلول‌های زنده به یکدیگر

پژوهشگران سه سویه از Pantoea agglomerans را طوری مهندسی کردند که به عنوان رله عمل کنند. این سلول‌ها سیگنال OHC 14  را به خروجی دیگری تبدیل می‌کنند که می‌تواند به عنوان ورودی ترانزیستور بعدی عمل کند. به این ترتیب، اجزای باکتریایی منفرد می‌توانند مانند قطعات روی یک برد مدار الکترونیکی به یکدیگر “سیم‌کشی” شوند.

به عنوان مثال، محققان یک سوئیچ دو طرفه با استفاده از دو ترانزیستور ساختند که OC 12 را تشخیص می‌دهد. بسته به ورودی سوئیچ جداگانه، سیستم آن اطلاعات را قبل از انتقال به ترانزیستورهای اضافی برای پردازش بیشتر، از طریق سویه‌های رله مختلف ارسال می‌کند.

برای مونتاژ مدارها، محققان کلونی‌های باکتریایی را روی صفحات حاوی آگار چاپ کردند که به عنوان محیط رشد عمل می‌کند. هر کلونی حدود ۵ میلی‌متر از نزدیکترین همسایه خود فاصله داشت. این فاصله‌گذاری به اطمینان از این امر کمک می‌کند که سیگنال‌های شیمیایی فقط به کلونی بعدی در توالی برسند و به اطلاعات اجازه می‌دهند تا در یک جهت واحد از طریق مدار حرکت کنند.

ساخت مدارهای بیولوژیکی پیچیده‌تر

محققان نشان دادند که یک ترانزیستور باکتریایی می‌تواند بسته به محل قرارگیری خود در یک مدار، چندین عملیات منطقی را انجام دهد. این عملیات شامل دروازه‌های چند ورودی یا ضمنی بود.

این تیم همچنین با اتصال چندین ترانزیستور، سیستم‌های پیچیده‌تری ایجاد کرد. مدارها می‌توانند دو سیگنال را اضافه کنند، چندین سیگنال را همزمان پردازش کنند یا به عنوان یک دی‌مالتی‌پلکسر عمل کنند که یک سیگنال ورودی را دریافت می‌کند و آن را بر اساس یک سیگنال کنترل جداگانه به یکی از چندین مقصد ممکن هدایت می‌کند.

بزرگترین مدار نشان داده شده در این مطالعه شامل ۲۴ کلونی باکتریایی به هم پیوسته بود و برای اضافه کردن دو ورودی به یکدیگر طراحی شده بود.

این مطالعه نشان می‌دهد که می‌توان با پیوند دادن عملکردهای ساده‌تر در سلول‌های منفرد، به عملکردهای پیچیده‌تری دست یافت. از نظر محاسباتی، هیچ کاری نیست که آیفون شما بتواند انجام دهد و این مدارها نتوانند.

با این حال، تفاوت عمده‌ای در سرعت وجود دارد. هر محاسبه‌ای که توسط مدارهای باکتریایی انجام می‌شود حدود هشت ساعت طول می‌کشد، بسیار بیشتر از زمانی که یک کامپیوتر الکترونیکی نیاز دارد. با این حال، محققان می‌گویند که برای کاربردهای بیولوژیکی، این سرعت هنوز هم می‌تواند عملی باشد.

کامپیوترهای زنده برای کشاورزی

یکی از کاربردهای احتمالی، کشاورزی است. اگر این مدارها در نهایت بتوانند روی ریشه گیاهان قرار گیرند، می‌توان آنها را برای تشخیص اشکال مختلف استرس برنامه‌ریزی کرد. وقتی سیستم یک سیگنال خاص را تشخیص می‌دهد، می‌تواند یک پاسخ متناظر مانند تولید یک قارچ‌کش را ایجاد کند.

این پژوهش به تازگی در ژورنال Nature Chemical Biology منتشر شده است.