En E. coli biodator löser en labyrint genom att dela arbetet

Andrea Chronopoulos



det här är inte ett riktigt ansikte

E coli trivs i våra tarmar, ibland till olycklig effekt, och det underlättar vetenskapliga framsteg – inom DNA, biobränslen och Pfizers covid-vaccin, för att bara nämna några. Nu har den här multitalentade bakterien ett nytt trick: den kan lösa ett klassiskt beräkningslabyrintproblem med hjälp av distribuerad beräkning – genom att dela upp de nödvändiga beräkningarna mellan olika typer av genetiskt modifierade celler.

Denna snygga bedrift är en kredit till syntetisk biologi, som syftar till att rigga upp biologiska kretsar ungefär som elektroniska kretsar och att programmera celler lika enkelt som datorer.





Labyrintexperimentet Det är en del av vad vissa forskare anser vara en lovande riktning på området: snarare än att konstruera en enda typ av cell för att göra allt arbete, designar de flera typer av celler, var och en med olika funktioner, för att få jobbet gjort. Genom att arbeta tillsammans kan dessa konstruerade mikrober kanske beräkna och lösa problem mer som flercelliga nätverk i naturen.

Hittills, på gott och ont, har att fullt ut utnyttja biologins designkraft gäckat och frustrerat syntetiska biologer. Natur kan göra detta (tänk på en hjärna), men vi vet ännu inte hur man designar på den överväldigande komplexitetsnivån med hjälp av biologi, säger Pamela Silver, en syntetisk biolog vid Harvard.

Studien med E coli som labyrintlösare, ledd av biofysikern Sangram Bagh vid Saha Institute of Nuclear Physics i Kolkata, är ett enkelt och roligt leksaksproblem. Men det fungerar också som ett principbevis för distribuerad beräkning mellan celler, och visar hur mer komplexa och praktiska beräkningsproblem kan lösas på liknande sätt. Om detta tillvägagångssätt fungerar i större skala, kan det låsa upp applikationer som hänför sig till allt från läkemedel till jordbruk till rymdresor.



När vi går över till att lösa mer komplexa problem med konstruerade biologiska system, kommer att sprida ut belastningen så här en viktig förmåga att etablera, säger David McMillen, bioingenjör vid University of Toronto.

Hur man bygger en bakteriell labyrint

Att få E coli att lösa labyrintproblemet innebar en del uppfinningsrikedom. Bakterierna vandrade inte genom en palatslabyrint av välklippta häckar. Snarare analyserade bakterierna olika labyrintkonfigurationer. Uppställningen: en labyrint per provrör, där varje labyrint genereras av ett annat kemiskt hopkok.

De kemiska recepten abstraherades från ett 2 × 2 rutnät som representerade labyrintproblemet. Rutnätets övre vänstra ruta är starten på labyrinten, och den nedre högra fyrkanten är destinationen. Varje ruta på rutnätet kan antingen vara en öppen väg eller blockerad, vilket ger 16 möjliga labyrinter.

Bagh och hans kollegor översatte matematiskt detta problem till en sanningstabell bestående av ett s och 0 s, som visar alla möjliga labyrintkonfigurationer. Sedan kartlade de dessa konfigurationer på 16 olika hopkok av fyra kemikalier. Närvaron eller frånvaron av varje kemikalie motsvarar om en viss kvadrat är öppen eller blockerad i labyrinten.



Teamet konstruerade flera uppsättningar av E coli med olika genetiska kretsar som upptäckte och analyserade dessa kemikalier. Tillsammans fungerar den blandade populationen av bakterier som en distribuerad dator; var och en av de olika uppsättningarna av celler utför en del av beräkningen, bearbetar den kemiska informationen och löser labyrinten.

Under experimentet satte forskarna först E coli i 16 provrör, tillsatte en annan kemisk labyrintblandning i varje och lämnade bakterierna att växa. Efter 48 timmar, om E coli upptäckte ingen tydlig väg genom labyrinten - det vill säga om de nödvändiga kemikalierna saknades - då förblev systemet mörkt. Om den korrekta kemiska kombinationen var närvarande slogs motsvarande kretsar på och bakterierna uttryckte kollektivt fluorescerande proteiner, i gult, rött, blått eller rosa, för att indikera lösningar. Finns det en väg, en lösning, lyser bakterierna, säger Bagh.

bakterier labyrinter forskning bild

Fyra av 16 möjliga labyrintkonfigurationer visas. De två labyrinterna till vänster har inga tydliga vägar från start till destination (på grund av blockerade/skuggade rutor); sålunda finns det ingen lösning, och systemet är mörkt. För de två labyrinterna till höger finns det tydliga stigar (vita rutor), så den E coli labyrintlösare lyser — bakterierna uttrycker kollektivt fluorescerande proteiner, vilket indikerar lösningarna.

KATHAKALI SARKAR OCH SANGRAM BAGH

Det som Bagh tyckte var särskilt spännande var att när han gick igenom alla 16 labyrinter E coli gav fysiskt bevis på att endast tre var lösbara. Att räkna ut detta med en matematisk ekvation är inte okomplicerat, säger han. Med det här experimentet kan du visualisera det väldigt enkelt.

Höga mål

Bagh föreställer sig en sådan biologisk dator som hjälper till med kryptografi eller steganografi (konsten och vetenskapen att dölja information), som använder labyrinter för att kryptera och dölja data. Men konsekvenserna sträcker sig bortom dessa tillämpningar till syntetisk biologis högre ambitioner.

Idéen av syntetisk biologi dateras till 1960-talet, men området dök upp konkret år 2000 med skapandet av syntetiska biologiska kretsar (särskilt en brytare och en oscillator ) som gjorde det alltmer möjligt att programmera celler för att producera önskade föreningar eller reagera intelligent i sina miljöer.

Är Ginkgos syntetiska biologihistoria värd 15 miljarder dollar?

Jason Kelly har lovat en tillverkningsrevolution med DNA. Be honom bara inte göra några produkter.

Biologi har dock inte varit den mest samarbetsvilliga av kollaboratörerna. En begränsande faktor är hur många förändringar du kan göra i en cell utan att förstöra dess livskraft. Cellen har sina egna intressen, säger McMillen, vars labb utvecklar ett jästbaserat system som upptäcker malariaantikroppar i blodprover och ett liknande system för covid. När man sätter in mänskligt designade komponenter i ett biologiskt system, säger han, kämpar man mot naturligt urval och entropi, som är två av de stora när det gäller naturkrafter.

förutspått valresultat 2016

Om en cell är överbelastad med för många doodads, till exempel, finns det risk för störningar och överhörning – vilket hindrar prestanda och begränsar systemets kapacitet. Med beräkningslabyrintlösare, säger Bagh, kunde algoritmen ha programmerats till endast en typ av E coli cell. Men systemet fungerade bäst när de nödvändiga kretsfunktionerna var fördelade på sex typer av celler.

Det finns en fysisk gräns för hur många genetiska delar som kan användas i en enda cell, säger Karen Polizzi, kemiingenjör vid Imperial College London, som utvecklar cellulära biosensorer för att övervaka tillverkningen av terapeutiska proteiner och vacciner. Detta begränsar sofistikeringen av de datorkoncept som kan utvecklas.

Distribuerad datoranvändning kan faktiskt vara ett sätt att uppnå några av [syntetisk biologis] riktigt höga mål, tillägger hon. För det finns inget sätt att du kommer att få en cell att helt göra en komplex uppgift av sig själv.

Cellulär överlägsenhet

Chris Voigt, en syntetisk biolog vid MIT (och chefredaktör för ACS syntetisk biologi, som publicerade Baghs resultat), tror distribuerad databehandling är den riktning som syntetisk biologi måste gå.

Enligt Voigts uppfattning är stora ambitioner för mikrobiella celler berättigade - och han har gjort beräkningar för att backa upp det. En tesked bakterier har fler logiska portar i sig än, tror jag, 2 miljarder Xeon-processorer, säger han. Och den har mer minne i DNA:t än hela internet. Biologi har en otrolig beräkningskapacitet, och den gör det genom att fördela den över ett enormt antal celler. Men det finns varningar: En grind tar 20 minuter att bearbeta, så den är väldigt långsam.

Moores lag kvantberäkning

Förra året lyckades Voigt och medarbetare programmera DNA med en kalkylatoralgoritm och generera en Digital skärm med fluorescerande E coli . De använde mjukvara skapad av Voigts labb, kallad Cello. Cello tar filer från Verilog – ett programmeringsspråk som används för att beskriva och modellera kretsar – och omvandlar dem till DNA, så att samma slags konfigurationer kan köras i celler. Alla kretsar för E coli kalkylatorn var dock inklämd i en enda typ av cell, en enda koloni. Vi har nått gränsen för det, medger han. Vi måste ta reda på hur vi gör större mönster.

Även om forskare ville köra något så low-fi enligt dagens standarder som Apollo 11-styrsystemen i bakterier, säger Voigt, kunde det inte göras i en enda konstruerad cell. Kapaciteten finns, säger han. Vi behöver bara sätt att bryta upp algoritmen över celler och sedan länka ihop celler för att effektivt dela information så att de tillsammans kan utföra beräkningen.

Faktum är att Voigt ifrågasätter om direkt efterlikning av traditionell elektronisk datoranvändning är den bästa metoden för att utnyttja biologins beräkningskraft och lösa komplexa biobaserade problem.

I sitt sökande efter rätt tillvägagångssätt har Bagh också nyligen utarbetat en typ av artificiellt neuralt nätverk arkitektur för bakteriell hårdvara. Och han är intresserad av att utforska ett tillvägagångssätt som involverar fuzzy logik, som går utöver binärens begränsningar 0 s och ett s mot ett kontinuum mer i linje med bruset och röran i levande biologiska system.

Syntetisk biolog Ángel Goñi-Moreno, vid Madrids tekniska universitet, tänker i liknande banor. Om vi ​​ska leka med levande teknik måste vi spela efter levnadsreglerna, säger han.

Goñi-Moreno föreställer sig att bryta med den elektroniska kretsanalogin genom att dra nytta av hur celler känner och svarar och anpassa sig till sin miljö , använder det naturliga urvalet som ett verktyg för att driva beräkningsdesigner framåt. Evolution, säger han, är en biologisk process som beräknar information över tid och optimerar cellulära system för att utföra en mängd olika uppgifter.

Goñi-Moreno tror att detta tillvägagångssätt i slutändan kan kulminera i vad han kallar cellulär överlägsenhet . Termen drar en medveten parallell med kvantöverhöghet (nu ibland kallad kvantprimacy) - den punkt där kvantdatorer överskrider kapaciteten hos konventionell datoranvändning inom vissa domäner. Biodatorer som har utvecklats i en sådan utsträckning, säger Goñi-Moreno, kan erbjuda överlägsen problemlösningskunnighet inom områden som att förbättra jordbruksproduktionen (tänk på jordbakterier som kan justera kemikalierna de gör baserat på skiftande förhållanden) och inriktning mot sjukdomsterapi.

Förvänta dig bara inte E coli att hjälpa till att surfa på internet eller knäcka P vs. NP-problemet – För det behöver vi fortfarande gamla goda datorer.

Dölj

Faktisk Teknik

Kategori

Okategoriserad

Teknologi

Bioteknik

Teknisk Policy

Klimatförändring

Människor Och Teknik

Silicon Valley

Datoranvändning

Mit News Tidningen

Artificiell Intelligens

Plats

Smarta Städer

Blockchain

Huvudartikel

Alumnprofil

Alumnikoppling

Mit News-Funktion

1865

Min Syn

77 Mass Ave

Möt Författaren

Profiler I Generositet

Ses På Campus

Alumnbrev

Nyheter

Tidningen Mit News

Val 2020

Med Index

Under Kupolen

Brandslang

Oändliga Berättelser

Pandemic Technology Project

Från Presidenten

Cover Story

Fotogalleri

Rekommenderas