マサチューセッツ工科大学の研究者たちは、基本的なスイッチ機能を実行できる細菌を成功裏に設計しました。このブレークスルーにより、彼らは電子部品に依存せず、生きた細胞から生物回路を構築できるようになりました。チームは培養皿の寒天上に細菌のコロニーを印刷し、化学信号がこれらのコロニー間で伝達され、細胞が情報を処理し論理演算を実行できるようにしました。この方法は最終的に計算能力を生物環境に直接導入することが期待されています。研究者たちは、植物の葉や根に細菌を配置し、ストレスを検出して反応を引き起こすことを構想しています。従来の電子機器は不要です。
細菌回路の設計と機能
細菌がスイッチになります。研究チームは、植物やその他の表面に一般的に存在する細菌である Pantoea agglomerans を使用しました。彼らは、細菌の2つのバージョンをエンジニアリングし、生物トランジスタとして機能できるようにしました。一つのトランジスタは化学信号を受け取るとオンになり、もう一つは逆の機能を実行します。両者は他の分子を検出し、異なる化学出力を生成できます。追加の3つの細菌株はトランジスタ間の中継として機能し、ある化学信号を次の回路コンポーネントが認識できる信号に変換します。この設定により、研究者たちは単一の細胞をより大きなネットワークに接続できるようになります。
電子回路は導線を通じて電気信号を伝送しますが、これらの生物回路は細菌コロニー間で分子を移動させます。
研究チームは寒天上に細菌コロニーを印刷し、隣接する細胞間の距離を約5ミリメートルに保ちました。この間隔は、信号が期待される下流のコロニーに向かって移動するのを助けます。研究者たちは回路のレイアウトを随時変更でき、各コンポーネントを再設計する必要はありません。生きた細胞が論理を実行します。研究者たちは、細菌トランジスタを使用したさまざまな論理機能を示しました。彼らの回路は複数の入力を処理し、信号を特定の出力に導きます。あるシステムは24の細菌コロニーを利用して2つの入力を加算し、他の構成はORおよび仮言演算を実行できます。チームはまた、1つの入力信号を受信し、別の制御信号に基づいて異なる目的地に導くデマルチプレクサを構築しました。
未来の応用と課題
モジュール設計は、従来の合成生物学の制限を解決しました。研究者たちは通常、複数の機能を単一の細胞内に配置しますが、この戦略は最終的に細胞のタンパク質製造メカニズムを過負荷にし、異なる生物コンポーネントが相互に干渉する際に問題を引き起こす可能性があります。機能を複数の細胞に分離することで、より複雑な生物計算に向けた別のアプローチが提供されます。これらの回路の計算速度は依然として電子コンピュータには遠く及びません。1つの細菌回路は計算を完了するのに約8時間を要します。生物プロセスに関連する応用において、この制限の重要性は相対的に低いです。植物の機能は数時間、数日、または全体の成長シーズンを含みます。
マサチューセッツ工科大学の研究者たちは、最終的にこれらの回路を植物の根や葉に配置することを望んでいます。これらの細菌は、干ばつ、害虫、または病気に関連する信号を検出できます。条件が検出されると、生物反応を引き起こすことができます。提案されている応用の一つは、回路が植物のストレスを検出した後に殺真菌剤を生成することです。マサチューセッツ工科大学の生物工学部長クリストファー・ボイト（Christopher Voigt）は、「私たちはコンピュータを置き換えようとしているのではなく、生物システムに自身の計算制御を提供することを目指しています。」と述べています。この研究は異なる計算アーキテクチャを指し示しています。
研究者たちは、電子システムに生物学を導入するのではなく、計算を生物システムに直接組み込むことを始めました。この研究は『Nature Biotechnology』に発表され、DARPAおよびIARPAから一部の資金提供を受けています。