Генно модифицирани бактерии решават изчислителни задачи

Ваня Милева Последна промяна на 02 октомври 2024 в 00:00 4811 0

Клетъчната система, описана в Nature Chemical Biology, може да идентифицира прости числа, да провери дали дадена буква е гласна и дори да определи максималния брой парчета пица или пай, получени от определен брой равни разрязвания.

Кредит PIXNIO

Клетъчната система, описана в Nature Chemical Biology, може да идентифицира прости числа, да провери дали дадена буква е гласна и дори да определи максималния брой парчета пица или пай, получени от определен брой равни разрязвания.

Клетъчните биокомпютри са нова технология, която използва клетъчни процеси за извършване на изчисления. Такива биокомпютри с микронни размери биха могли да преодолеят много от енергийните, ценовите и технологичните ограничения на конвенционалните базирани на микропроцесори компютри, но технологията все още е много в начален стадий. Едно от ключовите предизвикателства е създаването на базирани на клетки системи, които могат да решават сложни изчислителни проблеми.

Сега изследователски екип от Института по ядрена физика Саха в Индия използва генетично модифицирани бактерии, за да създаде клетъчно базиран биокомпютър с възможности за решаване на математически задачи. Изследователите създават 14 инженерни бактериални клетки, всяка от които функционира като модулна и конфигурируема система. Те демонстрират, че чрез смесване и съпоставяне на подходящи модули, получената многоклетъчна система може да реши 9 задачи с изчислително решение с да/не и една задача за оптимизация.

Клетъчната система, описана в Nature Chemical Biology, може да идентифицира прости числа, да провери дали дадена буква е гласна и дори да определи максималния брой парчета пица или пай, получени от определен брой равни разрязвания.

В интервю за изданието Physics World старшият автор Санграм Баг (Sangram Bagh) обяснява целите и констатациите на изследването.

Как работи клетъчно базираното изчисление?

Живите клетки всъщност могат да пресмятат, за да изпълняват биологичните си задачи. Например, невроните на нашия мозък комуникират и изчисляват, за да вземат някакво решения; и в случай на външна атака нашите имунни клетки си сътрудничат, изчисляват и правят преценки.

Развитието на синтетичната биология отваря нови пътища за инженеринг на живи клетки за извършване на изчисления, проектирани от човека.

Сливането на биологията и компютърните науки води до разработването на базирани на живи клетки биокомпютри за решаване на изчислителни проблеми. Тук живите клетки са проектирани да се използват като вериги и компоненти за изграждане на биокомпютри. Напоследък изследователите манипулират живи клетки, за да намерят решения за пъзели за оцветяване на лабиринти и графики.

Възможности за решаване на задачи: Генно модифицираните бактерии могат да идентифицират прости числа и да решават прости математически задачи. Кредит: Nat Chem Biol 10.1038/s41589-024-01711-4

Защо използвахте бактерии, за да извършите изчисленията?

Бактериите са едноклетъчни организми с размер 2–5 µm (микрометра), с кратко време на репликация (около 30 минути). Те могат да оцелеят при много сурови условия и изискват минимална енергия, като по този начин осигуряват идеална рамка за изграждане на компютърна технология с микронен мащаб. Избрахме да използваме Escherichia coli, тъй като е проучена в детайли и е лесна за манипулиране, което я прави логичен избор за изграждане на биокомпютър.

Как създадохте бактерии, които могат да решават задачи?

Изградихме синтетични генни регулаторни мрежи в бактерии по такъв начин, че всяка бактерия да работи като изкуствен невросинапс. По този начин бяха създадени 14 генетично модифицирани бактерии, всяка действаща като изкуствен неврон, които нарекохме "бактоневрони". Когато тези бактоневрони се смесят в течна култура в епруветка, те създават изкуствена невронна мрежа, която може да решава изчислителни проблеми. Системата, подобна на LEGO, включва 14 проектирани клетки ("тухлички LEGO"), които може да  се смесват и комбинират, за да се изгради един от 12 специфични решения за решаване на задачи при поискване.

Как бактериите съобщават своите отговори?

Ние поставяме задачите на бактериите по химичен начин, използвайки двоична система. Бактериите са питани чрез добавяне ("единица") или не добавяне ("нула") на четири специфични химикала. Бактериалната изкуствена невронна мрежа анализира данните и реагира, като произвежда различни флуоресцентни протеини. Например, когато попитахме дали три е просто число, в отговор на този въпрос бактериите светнаха в зелено, за да "кажат" "да". По същия начин, когато попитахме дали четири е просто число, бактериите светнаха в червено и казаха "не".

Как би могъл такъв биокомпютър да се използва в приложения от реалния свят?

Бактериите са малки организми, около една двадесета от диаметъра на човешки косъм. Не е възможно да се направи силициев компютър толкова малък. Създаването на такъв малък компютър с бактерии ще отвори нов хоризонт в микромащабната компютърна технология. Използването му ще се разшири от нови медицински до космически технологии.

Например, човек може да си представи набор от създадени бактерии или други клетки в човешкото тяло, които вземат решения и действат при определено болестно състояние въз основа на множество биохимични и физиологични знаци.

Учените предлагат използването на синтетично създадени организми за подпомагане на използването на ресурсите in situ (на място) за изграждане на човешка изследователска база на Марс. Възможно е обаче да не е възможно всеки от организмите да се инструктира дистанционно да изпълнява конкретна задача въз основа на местните условия. Сега човек може да си представи малките създадени организми, работещи като биокомпютър, взаимодействащи един с друг и вземащи автономни решения за действие без каквато и да е човешка намеса.

Значението на тази работа във фундаменталната наука също е огромно. Знаем, че разпознаването на прости числа или гласни можеше да бъде направено само от хора или компютри, но сега генетично модифицираните бактерии правят същото. Подобни наблюдения повдигат нови въпроси относно това какво значи "интелигентност" и предлагат известна представа за биохимичната природа и произхода на интелигентността.

Какво планирате да правите след това?

Бихме искали да изградим по-сложни биокомпютри за изпълнение на по-сложни изчислителни задачи с възможност за многозадачност. Крайната цел е да се изградят изкуствено интелигентни бактерии.

Справка: Bonnerjee, D., Chakraborty, S., Mukherjee, B. et al. Multicellular artificial neural network-type architectures demonstrate computational problem solving. Nat Chem Biol (2024). https://doi.org/10.1038/s41589-024-01711-4 

Източник: Genetically engineered bacteria solve computational problems, Tami Freeman, Physics World

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !