یک E. coli با به اشتراک گذاشتن کار بیوکمپیوتری یک پیچ و خم را حل می کند


E. E. coli در قلب ما رشد می کند، گاهی اوقات با عواقب ناگوار، و پیشرفت علمی را تسهیل می کند – واکسن کووید DNA، سوخت های زیستی و Pfizer، به نام چند مورد. اکنون این باکتری چند وجهی یک ترفند جدید دارد: می تواند مشکل پیچ و خم رایانه کلاسیک را با استفاده از محاسبات توزیع شده حل کند – تقسیم محاسبات لازم به انواع مختلف سلول های مهندسی ژنتیک.

زیست شناسی مصنوعی با هدف ایجاد مدارهای بیولوژیکی مشابه مدارهای الکترونیکی و برنامه نویسی سلولی درست مانند رایانه ها به این شاهکار قابل توجه اعتبار داده شده است.

آزمایش هزارتو بخشی از چیزی است که برخی از محققان آن را جهت امیدوارکننده ای در این زمینه می دانند: به جای مهندسی یک سلول واحد برای انجام همه کارها، آنها چندین نوع سلول با عملکردهای مختلف برای تکمیل کار طراحی می کنند. این میکروب های مهندسی شده در حین کار هماهنگ قادر به محاسبه و حل مشکلاتی مانند شبکه های چند سلولی جنگلی خواهند بود.

تاکنون، برای خوب یا بد، استفاده کامل از قدرت طراحی بیولوژیکی توسط زیست شناسان مصنوعی اجتناب و ناامید شده است. “طبیعت می تواند (به مغز فکر کند)، اما ما هنوز مشخص نیست که او پس از ترک این سمت چه خواهد کرد.

مطالعه با E. coli حلال چاکراویه به رهبری سنگرام باغ، بیوفیزیکدان مؤسسه فیزیک هسته ای ساها در کلکته، یک مشکل اسباب بازی ساده و سرگرم کننده است. اما همچنین به عنوان اثباتی بر اصل محاسبات توزیع شده در سلول ها عمل می کند و نشان می دهد که چگونه مسائل پیچیده تر و کاربردی رایانه را می توان به همین روش حل کرد. اگر این رویکرد در مقیاس بزرگ کار کند، می‌تواند برنامه‌های مربوط به همه چیز، از داروسازی تا کشاورزی را باز کند.

دیوید مک میلان، مهندس مهندسی زیستی در دانشگاه تورنتو، می‌گوید: «همانطور که به سمت حل مسائل پیچیده‌تر با سیستم‌های بیولوژیکی مهندسی شده پیش می‌رویم، تحمل بار یک پتانسیل مهم است.

نحوه ایجاد یک ماز ​​باکتریایی

گرفتن E. coli در حل مشکل پیچ و خم مقداری نبوغ وجود دارد. باکتری ها از میان پیچ و خم پرچین های به خوبی تراشیده شده حرکت نمی کردند. در مقابل، باکتری ها پیکربندی های مختلف هزارتو را تجزیه و تحلیل کردند. راه اندازی: یک هزارتو در هر لوله آزمایش، هر هزارتو با یک مخلوط شیمیایی متفاوت ساخته شده است.

دستور العمل های شیمیایی از یک شبکه 2 × 2 انتزاع شد که نشان دهنده یک مشکل ماز است. ربع بالای سمت چپ شبکه ابتدای هزارتو و ربع پایین سمت راست مقصد است. هر مربع روی شبکه می تواند یک مسیر باز یا مسدود باشد که منجر به 16 هزارتوی ممکن می شود.

باغ و همکارانش این مسئله را به صورت ریاضی به یک برگه اطلاعات ترجمه کردند 1شن 0s، تمام تنظیمات هزارتوی ممکن را نشان می دهد. آنها سپس این پیکربندی را با 16 مخلوط مختلف از چهار ماده شیمیایی ترسیم کردند. وجود یا عدم وجود هر یک از مواد شیمیایی به باز یا مسدود بودن یک مربع خاص در ماز مربوط می شود.

تیم چندین ست ایجاد کرد E. coli با مدارهای ژنتیکی مختلف که آن مواد شیمیایی را کشف و تجزیه و تحلیل کردند. در مجموع، جمعیت مخلوط باکتری ها به عنوان یک کامپیوتر توزیع شده عمل می کند. هر یک از مجموعه های مختلف سلول، بخش محاسبه را انجام می دهد، اطلاعات شیمیایی را پردازش می کند و ماز را حل می کند.

با اجرای آزمایش، محققان آن را در ابتدا قرار دادند E. coli در 16 لوله آزمایش، لابیرنت های شیمیایی مختلف در هر کدام ایجاد شد و باکتری ها اجازه رشد یافتند. بعد از 48 ساعت، اگر E. coli هیچ مسیر روشنی از طریق هزارتو پیدا نشد، یعنی اگر مواد شیمیایی لازم وجود نداشت، اما سیستم در تاریکی باقی می ماند. اگر ترکیب شیمیایی مناسب وجود داشته باشد، مدارهای مربوطه “روشن” می شوند و باکتری ها در مجموع پروتئین های فلورسنت زرد، قرمز، آبی یا صورتی را در محلول نشان می دهند. باغ می گوید: «اگر راه است، راه حل است، آن وقت باکتری ها می درخشند.

چهار مورد از 16 پیکربندی هزارتوی ممکن نشان داده شده است. دو هزارتوی سمت چپ هیچ مسیر روشنی از ابتدا تا مقصد ندارند (به دلیل موانع / مربع های سایه دار)، بنابراین راه حلی وجود ندارد و سیستم تاریک است. برای دو هزارتوی سمت راست، مسیرهای روشن (مربع های سفید) وجود دارد E. coli Labyrinth Solver Glow – باکتری ها به طور جمعی پروتئین های فلورسنت را بیان می کنند که نشان دهنده محلول است.

کاتاکالی سرکار و سنگرام باغ

چیزی که باغ را به‌ویژه هیجان‌انگیز می‌کند این است که در حالی که در تمام 16 هزارتو می‌چرخد، E. coli شواهد فیزیکی ارائه کرد که تنها سه مورد قابل حل بودند. باغ می گوید: محاسبه با معادلات ریاضی کار آسانی نیست. با این آزمایش، می توانید آن را به روشی بسیار ساده ببینید.»

هدف متعالی

باغ یک کامپیوتر بیولوژیکی را متصور بود که به رمزنگاری یا استگانوگرافی (هنر و علم پنهان کردن اطلاعات) کمک می کرد و به ترتیب از یک هزارتو برای رمزگذاری و پنهان کردن داده ها استفاده می کرد. اما نتایج فراتر از این کاربردها به جاه طلبی های نجیب زیست شناسی مصنوعی گسترش می یابد.

ایده زیست شناسی مصنوعی به دهه 1960 برمی گردد، اما ایجاد مدارهای بیولوژیکی مصنوعی (به طور خاص سوئیچ ها و یک نوسان ساز) در دهه 2000 مطمئنا زمینه ای را ایجاد کرد که به سلول ها اجازه می داد ترکیبات مورد نظر را تولید کنند یا به طور هوشمند واکنش نشان دهند. محیط آنها.

پاسخ بگذارید:

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.


تمامی اخبار به صورت تصادفی و رندومایز شده پس از بازنویسی رباتیک در این سایت منتشر شده و هیچ مسئولتی در قبال صحت آنها نداریم