محاسبات بیولوژیکی E. coli پیچ و خم را با تقسیم کار حل می کند

E. coli در روده ما رشد می کند، گاهی اوقات با اثرات ناگوار، و پیشرفت های علمی – در DNA، سوخت های زیستی، و واکسن های Pfizer، به نام چند را تسهیل می کند. اکنون این باکتری چند منظوره یک نکته مخفی دارد: می‌تواند پیچ ​​و خم کامپیوتری کلاسیک را با استفاده از محاسبات توزیع‌شده حل کند – محاسبات مورد نیاز را بین انواع مختلف سلول‌های مهندسی شده ژنتیکی تقسیم کند.

این ویژگی فوق‌العاده به زیست‌شناسی مصنوعی اعتبار می‌دهد، که هدف آن نفوذ در مدارهای بیولوژیکی مانند مدارهای الکترونیکی و ساخت سلول‌ها تا حد امکان با کامپیوتر سازگار است.

آزمایش‌های ماز بخشی از چیزی است که برخی از محققان آن را جهت خوبی در این زمینه می‌دانند: به جای مهندسی کردن یک سلول برای انجام همه کارها، آنها چندین نوع سلول را طراحی می‌کنند که هر کدام عملکرد متفاوتی دارند تا کار را تکمیل کنند. این میکروارگانیسم های مهندسی شده با هماهنگی کار می توانند قادر به محاسبه و حل مشکلاتی مانند شبکه های چند سلولی در طبیعت باشند.

تا کنون، چه خوب و چه بد، استفاده کامل از قدرت طراحی زیست‌شناسی از زیست‌شناسان مصنوعی طفره رفته است. “طبیعی می تواند (در مورد مغز فکر کند)، اما ما پاملا سیلور، زیست شناس مصنوعی در هاروارد می گوید: هنوز مشخص نیست که چگونه می توان در پیچیده ترین سطوح با استفاده از زیست شناسی طراحی کرد.

مطالعه با E. coli به عنوان یک حل کننده پیچ و خم، به رهبری زیست شناس Sangram Bag در موسسه فیزیک هسته ای ساها در کلکته، مشکل اسباب بازی های ساده و سرگرم کننده است. اما همچنین به عنوان مجموعه ای از اصول برای محاسبات توزیع شده بین سلول ها عمل می کند و نشان می دهد که مشکلات محاسباتی پیچیده تر و عملی تر ممکن است به روشی مشابه حل شوند. اگر این رویکرد در مقیاس بزرگ مورد استفاده قرار گیرد، می‌تواند برنامه‌های مربوط به همه چیز از پزشکی، کشاورزی تا سفرهای فضایی را باز کند.

دیوید مک میلن، مهندس بیولوژیک دانشگاه تورنتو، گفت: “همانطور که ما به سمت حل مشکلات پیچیده تر با سیستم بیولوژیکی داخلی پیش می رویم، گسترش آن بار یک قطعه ساختمانی مهم خواهد بود.”

نحوه ایجاد یک ماز ​​باکتریایی

اعلام وصول E. coliبرای حل پیچ و خم مستلزم مقداری نبوغ است. باکتری ها از داخل محوطه قصر حصاری خوش تراش عبور نمی کنند. در عوض، باکتری ها پیکربندی های مختلف ماز را تجزیه و تحلیل کردند. نصب: یک پیچ و خم در هر لوله آزمایش، که هر ماز توسط یک ترکیب شیمیایی متفاوت ایجاد شده است.

فرمول شیمیایی انتزاعی از شبکه 2 × 2 است که نشان دهنده مشکل ماز است. گوشه سمت چپ بالای شبکه آغاز پیچ و خم است و گوشه پایین سمت راست مقصد است. هر مربع در شبکه می تواند یک مسیر باز یا مسدود باشد که 16 پیچ و خم را ممکن می سازد.

باغ و همکارانش مسائل ریاضی را به یک برگه اطلاعات گردآوری شده ترجمه کردند 1شن 0s، تمام تنظیمات ماز ممکن را نمایش می دهد. سپس آنها این تنظیمات را روی 16 ترکیب مختلف از چهار ماده شیمیایی ترسیم کردند. وجود یا عدم وجود هر یک از مواد شیمیایی مربوط به باز بودن یا مسدود شدن یک مربع خاص در ماز است.

تیم مهندسی چند سری E. coli با مدارهای ژنتیکی مختلف که آن مواد شیمیایی را شناسایی و تجزیه و تحلیل می کند. با هم، جمعیت مخلوط باکتری ها به عنوان یک کامپیوتر توزیع شده عمل می کند. هر مجموعه ای از سلول ها بخشی از محاسبه، پردازش و داده های شیمیایی را انجام می دهد حل پیچ و خم.

یک آزمایش انجام دهید، ابتدا محققان وارد می شوند E. coli در 16 لوله آزمایش، یک مخلوط شیمیایی اضافه شد – پیچ و خم متفاوت در هر کدام، و باکتری ها اجازه رشد یافتند. بعد از 48 ساعت، اگر E. coliتشخیص می دهد که هیچ مسیر روشنی از طریق پیچ و خم وجود ندارد – یعنی اگر مواد شیمیایی لازم وجود نداشته باشد – سیستم تاریک باقی می ماند. اگر ترکیب شیمیایی صحیح وجود داشته باشد، مدار مربوطه “باز” ​​باز می شود و باکتری ها پروتئین فلورسنت ترکیبی را به رنگ زرد، قرمز، آبی یا صورتی نشان می دهند تا محلول را نشان دهد. باغ گفت: اگر راه، راه حلی وجود داشته باشد، باکتری ها می درخشند.

کاتاکالی سرکار و سنگرام باغ

چیزی که بغ به‌ویژه هیجان‌انگیز می‌دانست این بود که در هر 16 پیچ و خم، هجوم برد E. coli شواهد فیزیکی ارائه کنید که فقط سه چیز را می توان حل کرد. باغ گفت: «محاسبه این با معادلات ریاضی ساده نیست. با این آزمایش، به راحتی می توانید آن را ببینید.»

هدف بالا

باغ چنین زیست شناسی به کمک کامپیوتری را در رمزنگاری یا استگانوگرافی (هنر و علم پنهان کردن داده ها) تصور می کرد که به ترتیب از پیچ و خم ها برای رمزگذاری و پنهان کردن داده ها استفاده می کردند. اما پیامدها فراتر از کاربرد جاه طلبی های زیست شناسی مصنوعی است.

مفهوم زیست شناسی مصنوعی به دهه 1960 برمی گردد، اما این رشته به طور فعال در سال 2000 با توسعه مدارهای بیولوژیکی مصنوعی (به ویژه، ضامن ها و نوسانگرها) معرفی شد که امکان برنامه ریزی سلول ها برای تولید ترکیبات یا واکنش های دلخواه را به صورت هوشمند در داخل فراهم کرد. . محیط آنها.