MIT tədqiqatçıları, Petri qabının içərisindəki böyümə materialına çap edilə bilən canlı “dövrə lövhələri” yaradaraq, tranzistorlar kimi işləmək üçün bakteriyalar hazırlayıblar.

Ənənəvi elektronikada tranzistorlar elektrik cərəyanının dövrədən keçib-keçmədiyini idarə edən açarlar kimi çıxış edirlər. MIT sistemində mühəndislik bakteriya hüceyrələri kiçik siqnal molekullarının hərəkətini tənzimləməklə oxşar rol oynayır. Daha sonra həmin molekullar bioloji dövrədəki digər komponentlərə məlumat ötürür.

Tədqiqatçılar iki növ bakterial tranzistor və aralarında ötürücü rolunu oynayan üç əlavə bakterial ştamm yaratdılar. Birlikdə, bu beş ştamm, demək olar ki, hər hansı bir dövrə qurmaq üçün təşkil edilə bilən modulyar komponentlər dəstini təmin edir. Yeni tədqiqatda komanda iki və ya üç giriş əlavə edə və tək bir girişi seçilmiş bir təyinat yerinə yönəldə bilən dövrələr nümayiş etdirdi.

“Biz tez-tez istifadə olunan bəzi ilkin kompüter arxitekturası komponentlərini yaratmışıq, lakin istənilən əməliyyat bu beş ştammla qurula bilər”, – deyə MIT postdoktoru və yeni tədqiqatın aparıcı müəllifi, fəlsəfə doktoru Hamid Doosthosseini bildirib.

Potensial istifadələrdən biri bu canlı dövrələri bitki yarpaqlarına və ya köklərinə yerləşdirməkdir. Orada bakteriyalar ətraf mühit şəraiti haqqında məlumatları emal edə və bitkilərin quraqlıq və ya zərərverici hücumları kimi stressləri aşkarlamasına və onlara cavab verməsinə kömək edə bilər.

MIT-in Bioloji Mühəndislik Departamentinin müdiri Kristofer Voyt, bu yaxınlarda Nature Chemical Biology jurnalında dərc olunmuş məqalənin baş müəllifidir . Keçmiş MIT postdoktoru Haorong Chen də məqalənin müəllifidir.

Bakterial Hüceyrələrin Tranzistorlara Çevrilməsi

Sintetik biologiya dövrələri adətən bir-biri ilə qarşılıqlı təsir göstərən zülallar və transkripsiya amilləri istehsal etmək üçün mühəndislik hüceyrələri tərəfindən qurulur. Bu sistemlər müəyyən bir molekulu aşkar etmək və sonra müəyyən bir cavab yaratmaq kimi tapşırıqları yerinə yetirmək üçün proqramlaşdırıla bilər.

Bu cür sxemlər fərqli məntiq funksiyalarını yerinə yetirə bilər, lakin onların mürəkkəbliyi məhduddur. Tədqiqatçılar ümumiyyətlə ayrı əməliyyatlar üçün fərqli transkripsiya amillərinə ehtiyac duyurlar ki, siqnallar bir-birinə mane olmasın. Yalnız məhdud sayda uyğun transkripsiya amilləri mövcud olduğundan, tək bir hüceyrə daxilində bir dövrənin nə qədər mürəkkəbləşə biləcəyinə dair praktik bir məhdudiyyət var. Bir hüceyrəyə çoxlu dövrənin yerləşdirilməsi onun zülal istehsal mexanizmini də iflic edə bilər.

MIT komandası problemə fərqli yanaşdı. Bütün bir dövrəni bir hüceyrənin içinə yerləşdirmək əvəzinə, fərqli tənzimləmələrdə birləşdirilə bilən tranzistor kimi komponentlər kimi xidmət edəcək fərdi hüceyrələr hazırladılar.

Bu komponentlər üçün tədqiqatçılar bitkilər də daxil olmaqla, səthlərdə tez-tez böyüyən Pantoea agglomerans bakteriyasından istifadə ediblər. Onlar OC 6 adlı molekula cavab verən iki bakteriya tranzistorunu hazırlayıblar. Bir növü molekulla qarşılaşdıqda işə düşür, digəri isə sönür.

Hər bir tranzistor həmçinin ikinci bir hədəf molekulu olan OC 12-ni də hiss edir. OC 12-nin mövcud olub-olmamasından və tranzistorun aktivləşdirilib-aktivləşdirilməməsindən asılı olaraq, bakteriya hüceyrəsi OHC 14 adlı çıxış molekulu istehsal edir.

Canlı Hüceyrələri Bir-birinə Qoşmaq

Daha sonra komanda rele kimi fəaliyyət göstərmək üçün Pantoea aqlomeranlarının üç ştammını hazırladı. Bu hüceyrələr OHC 14 siqnalını növbəti tranzistor üçün giriş kimi xidmət edə biləcək başqa bir çıxışa çevirir. Bu şəkildə, fərdi bakteriya komponentləri elektron dövrə lövhəsindəki hissələr kimi bir-birinə “qoşula” bilər.

Məsələn, tədqiqatçılar OC 12-ni aşkarlayan iki tranzistordan istifadə edərək iki istiqamətli bir açar qurdular. Ayrı bir açar girişindən asılı olaraq, sistem bu məlumatı sonrakı emal üçün əlavə tranzistorlara ötürməzdən əvvəl müxtəlif rele gərginlikləri vasitəsilə göndərir.

Dövrləri yığmaq üçün tədqiqatçılar bakteriya koloniyalarını böyümə mühiti kimi xidmət edən aqar ehtiva edən lövhələrə çap etdilər. Hər bir koloniya ən yaxın qonşusundan təxminən 5 millimetr məsafədə yerləşdirildi. Bu boşluq kimyəvi siqnalların ardıcıllıqdakı yalnız növbəti koloniyaya çatmasını təmin edir və məlumatın dövrədən tək bir istiqamətdə hərəkət etməsinə imkan verir.

Daha Mürəkkəb Bioloji Dövrlərin Qurulması

Tədqiqatçılar göstərdilər ki, eyni bakteriya tranzistoru dövrə daxilində harada yerləşməsindən asılı olaraq bir neçə məntiq əməliyyatı yerinə yetirə bilər. Bunlara “çoxgirişli”, “və ya” və “imply” qapıları daxildir.

Komanda birdən çox tranzistoru birləşdirərək daha mürəkkəb sistemlər də yaratdı. Sxemlər iki siqnal əlavə edə, eyni anda bir neçə siqnalı emal edə və ya bir daxil olan siqnalı qəbul edən və onu ayrıca idarəetmə siqnalına əsasən bir neçə mümkün təyinat yerindən birinə yönləndirən demultipleksor kimi işləyə bilərdi.

Tədqiqatda nümayiş etdirilən ən böyük dövrə 24 bir-biri ilə əlaqəli bakteriya koloniyasından ibarət idi və iki girişi birləşdirmək üçün nəzərdə tutulmuşdu.

Voigt deyir ki, “Bu iş göstərir ki, fərdi hücrələrdə daha sadə funksiyaları birləşdirməklə daha mürəkkəb funksiyalara nail ola bilərik. Hesablama baxımından, iPhone-unuzun edə biləcəyi heç bir şey bu sxemlərin edə bilməyəcəyi qədər deyil.”

Lakin sürətdə böyük fərq var. Bakterial dövrələr tərəfindən aparılan hər bir hesablama təxminən səkkiz saat çəkir ki, bu da elektron kompüterin tələb etdiyindən daha çoxdur. Lakin tədqiqatçılar bioloji tətbiqlər üçün sürətin hələ də praktik ola biləcəyini söyləyirlər.

“Biz kompüterləri əvəz etməyə çalışmırıq, əksinə biologiyaya hesablama nəzarəti tətbiq etməyə çalışırıq. Əgər bitkinin kökündə bakteriya varsa və ya bitki özü hesablamanı aparırsa, sadə bir hesablamanı bir gecədə aparmaq böyümə mövsümünə nisbətən kifayət qədər sürətlidir”, – Voigt deyir.

Kənd Təsərrüfatı üçün Canlı Kompüterlər

Mümkün tətbiq sahələrindən biri kənd təsərrüfatıdır. Əgər bu dövrələr nəticədə bitki köklərinə yerləşdirilə bilsə, onlar müxtəlif stress formalarını aşkar etmək üçün proqramlaşdırıla bilər. Sistem müəyyən bir siqnalı tanıdıqda, müvafiq reaksiyanı, məsələn, funqisid istehsalını tetikleyebilir.

Tədqiqat qismən ABŞ Müdafiə Qabaqcıl Tədqiqat Layihələri Agentliyi və ABŞ Kəşfiyyat Qabaqcıl Tədqiqat Layihələri Fəaliyyəti tərəfindən maliyyələşdirilib.