Επιστήμονες δημιούργησαν υπολογιστή από βακτήρια: Γενετικά κυκλώματα από E. coli που ζουν στα έντερα [long read]

File Photo Η Τεχνολογία χρησιμοποιεί συνθετική βιολογία, έχει ως στόχο να δημιουργήσει βιολογικά κυκλώματα που μοιάζουν με τα ηλεκτρονικά, και να προγραμματίζει τα κύτταρα τόσο εύκολα όσο και τους υπολογιστές via pixabay.com

---

Τα βακτήρια E. coli ζουν συνήθως στα έντερα μας ενώ παράλληλα συμβάλλουν στην επιστήμη, στην παραγωγή βιοκαυσίμων και στο εμβόλιο για τα κολοβακτηρίδια της Pfizer, μεταξύ άλλων.

Αυτό το πολυτάλαντο βακτήριο διαθέτει τώρα και μια νέα ικανότητα. Μπορεί να λύσει ένα κλασικό υπολογιστικό πρόβλημα του λαβύρινθου, χρησιμοποιώντας κατανεμημένο υπολογισμό – μοιράζοντας δηλαδή τους απαραίτητους υπολογισμούς μεταξύ διαφορετικών τύπων γενετικά τροποποιημένων κυττάρων.

Πρόκειται για ένα σημαντικό βήμα στη συνθετική βιολογία, η οποία έχει ως στόχο να δημιουργήσει βιολογικά κυκλώματα που μοιάζουν με τα ηλεκτρονικά, και να προγραμματίζει τα κύτταρα τόσο εύκολα όσο και τους υπολογιστές.

Στο πείραμα του λαβύρινθου, αντί να κατασκευάσουν έναν μόνο τύπο κυττάρου για να κάνει όλη τη δουλειά, οι επιστήμονες σχεδίασαν πολλαπλούς τύπους κυττάρων, καθένα με διαφορετικές λειτουργίες. Αυτά τα κατασκευασμένα μικρόβια συνεργάζονται μεταξύ τους για να «υπολογίσουν» και να επιλύσουν προβλήματα, όπως τα πολυκυτταρικά δίκτυα στη φύση.

«Η φύση μπορεί να το κάνει αυτό αλλά δεν ξέρουμε ακόμη πώς να σχεδιάσουμε σε αυτό το επίπεδο πολυπλοκότητας χρησιμοποιώντας τη βιολογία», λέει η Πάμελα Σίλβερ, συνθετική βιολόγος στο Χάρβαρντ.

Η συγκεκριμένη έρευνα με επικεφαλής τον βιοφυσικό Σάνγκραμ Μπα στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής Saha στην Καλκούτα, είναι ένα απλό και «διασκεδαστικό παιχνίδι». Αποδεικνύει όμως και την αρχή των κατανεμημένων υπολογισμών μεταξύ κυττάρων, δείχνοντας πώς πιο σύνθετα και πρακτικά υπολογιστικά προβλήματα θα μπορούσαν να επιλυθούν με παρόμοιο τρόπο.

Αν αυτή η προσέγγιση λειτουργήσει και σε μεγαλύτερη κλίμακα, θα μπορούσε να «ξεκλειδώσει» εφαρμογές που αφορούν τα πάντα, από φαρμακευτικά προϊόντα μέχρι τη γεωργία και τα διαστημικά ταξίδια.

(Kathakali Sarkar Sangram Bagh)

Πώς να φτιάξετε έναν βακτηριακό λαβύρινθο

Για να καταφέρουν τα E. coli να λύσουν το πρόβλημα του λαβυρίνθου, ανέλυσαν διάφορες διαμορφώσεις λαβυρίνθων.

«Αντιστοιχίσαμε όλους τους πίνακες εισόδου-εξόδου ενός μαθηματικού λαβύρινθου 2 × 2, σε έναν πίνακα αληθείας 4 εισόδων-4 εξόδων. Οι τιμές τεσσάρων χημικών εισόδων καθόρισαν τα 16 διαφορετικά προβλήματα του λαβύρινθου, σε ένα χημικό χώρο», εξηγούν οι ερευνητές στο σχετικό άρθρο που δημοσιεύθηκε στην επιστημονική επιθεώρηση «ACS Synthetic Biology». Το πάνω αριστερό τετράγωνο του πλέγματος είναι η αρχή του λαβύρινθου και το κάτω δεξιά είναι ο προορισμός. Κάθε τετράγωνο στο πλέγμα μπορεί να είναι ένα μονοπάτι ανοιχτό ή αποκλεισμένο.

Ο Μπα και οι συνάδελφοί του μετέφρασαν μαθηματικά αυτό το πρόβλημα σε έναν πίνακα αληθείας που αποτελείται από 1 και 0, ο οποίος δείχνει όλες τις πιθανές διαμορφώσεις του λαβυρίνθου. Στη συνέχεια, απεικόνισαν αυτές τις διαμορφώσεις σε 16 διαφορετικά παρασκευάσματα τεσσάρων χημικών ουσιών. Η παρουσία ή η απουσία κάθε χημικής ουσίας εξαρτάται από το αν ένα συγκεκριμένο τετράγωνο είναι ανοικτό ή αποκλεισμένο στον λαβύρινθο.

Η ομάδα δημιούργησε πολλαπλά σύνολα E. coli με διαφορετικά γενετικά κυκλώματα που ανίχνευαν και ανέλυαν αυτές τις χημικές ουσίες. Μαζί, τα βακτήρια λειτουργούν ως ένα κατανεμημένο σύστημα, όπου κάθε ένα από τα διάφορα σύνολα κυττάρων, εκτελεί μέρος του υπολογισμού, επεξεργάζεται τις χημικές πληροφορίες και λύνει το πρόβλημα του λαβύρινθου.

Οι ερευνητές τοποθέτησαν αρχικά τα E. coli σε 16 δοκιμαστικούς σωλήνες, πρόσθεσαν ένα διαφορετικό παρασκεύασμα στο καθένα, και άφησαν τα βακτήρια να αναπτυχθούν. Μετά από 48 ώρες, εάν τα E. coli δεν εντόπιζαν καμία σαφή διαδρομή μέσα από τον λαβύρινθο -δηλαδή εάν οι απαιτούμενες χημικές ουσίες απουσίαζαν- τότε το σύστημα παρέμενε σκοτεινό. Εάν υπήρχε ο σωστός χημικός συνδυασμός, τα αντίστοιχα κυκλώματα «άναβαν» και τα βακτήρια εξέφραζαν συλλογικά, φθορίζουσες πρωτεΐνες, σε κίτρινο, κόκκινο, μπλε ή ροζ χρώμα, για να υποδεικνύουν τις λύσεις. «Εάν υπάρχει ένα μονοπάτι, μια λύση, τότε τα βακτήρια λάμπουν», λέει ο Μπα.

Αυτό που βρήκε ιδιαίτερα συναρπαστικό ο ερευνητής ήταν ότι τα E. coli παρείχαν φυσική απόδειξη ότι μόνο τρεις λαβύρινθοι ήταν επιλύσιμοι. «Ο υπολογισμός αυτού με μια μαθηματική εξίσωση δεν είναι απλός», λέει. «Με αυτό το πείραμα, μπορείτε να το απεικονίσετε πολύ απλά».

Υψηλοί στόχοι

Ο Μπα πιστεύει πως μελλοντικά ένας τέτοιος βιολογικός υπολογιστής θα μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην κρυπτογραφία ή τη στεγανογραφία, οι οποίες χρησιμοποιούν λαβύρινθους για την κρυπτογράφηση και την απόκρυψη δεδομένων, αντίστοιχα. Ωστόσο οι επιπτώσεις επεκτείνονται πέρα από αυτές τις εφαρμογές.

Η ιδέα της συνθετικής βιολογίας χρονολογείται από τη δεκαετία του 1960, αλλά ο τομέας αναδύθηκε το 2000 με τη δημιουργία συνθετικών βιολογικών κυκλωμάτων (συγκεκριμένα, ενός διακόπτη εναλλαγής και ενός ταλαντωτή) που κατέστησαν όλο και πιο δυνατό τον προγραμματισμό των κυττάρων ώστε να παράγουν τις επιθυμητές ενώσεις ή να αντιδρούν έξυπνα στο περιβάλλον τους.

Η βιολογία, όμως, δεν υπήρξε ο πιο συνεργάσιμος συνεργάτης. Για παράδειγμα, υπάρχει περιορισμός στον αριθμό των αλλαγών που μπορούν να κάνουν οι επιστήμονες σε ένα κύτταρο, χωρίς να καταστρέψουν τη βιωσιμότητά του. «Το κύτταρο έχει τα δικά του συμφέροντα», λέει ο ΜακΜίλλαν, το εργαστήριο του οποίου αναπτύσσει ένα σύστημα με βάση τη ζύμη που ανιχνεύει αντισώματα ελονοσίας σε δείγματα αίματος, καθώς και ένα παρόμοιο σύστημα για τον κορωναϊό.

«Όταν εισάγουμε ανθρώπινα σχεδιασμένα συστατικά σε ένα βιολογικό σύστημα, πολεμάμε ενάντια στη φυσική επιλογή και την εντροπία, που είναι δύο από τις μεγαλύτερες δυνάμεις της φύσης».

Εάν ένα κύτταρο υπερφορτωθεί με ασυναρτησίες για παράδειγμα, υπάρχει ο κίνδυνος παρεμβολών και αλληλοεπικαλύψεων που εμποδίζουν την απόδοση και περιορίζουν τις δυνατότητες του συστήματος. Με τους υπολογιστικούς λύτες λαβυρίνθων, λέει ο Μπα, ο αλγόριθμος θα μπορούσε να προγραμματιστεί μόνο σε έναν τύπο κυττάρου E. coli. Αλλά το σύστημα λειτούργησε καλύτερα όταν οι απαραίτητες λειτουργίες του κυκλώματος ήταν κατανεμημένες σε έξι τύπους κυττάρων.

«Υπάρχει ένα φυσικό όριο στο πόσα γενετικά μέρη μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε ένα μόνο κύτταρο», λέει η Κάρεν Πολίτσι, χημικός μηχανικός στο Imperial College του Λονδίνου, η οποία αναπτύσσει κυτταρικούς βιοαισθητήρες για την παρακολούθηση της παρασκευής θεραπευτικών πρωτεϊνών και εμβολίων. «Αυτό περιορίζει την πολυπλοκότητα των υπολογιστικών εννοιών που μπορούν να αναπτυχθούν».

«Ο κατανεμημένος υπολογισμός θα μπορούσε στην πραγματικότητα να είναι ένας τρόπος για να επιτευχθούν ορισμένοι από τους υψηλούς στόχους της συνθετικής βιολογίας», προσθέτει η Πολίτσι. «Δεν υπάρχει περίπτωση να καταφέρεις να βάλεις ένα κύτταρο να κάνει εντελώς μόνο του μια πολύπλοκη εργασία».

(Kathakali Sarkar Sangram Bagh)

Κυτταρική υπεροχή

Ο Κρις Βόιτ, συνθετικός βιολόγος στο MIT πιστεύει ότι η κατανεμημένη υπολογιστική είναι η κατεύθυνση που πρέπει να ακολουθήσει η συνθετική βιολογία.

Σύμφωνα με τον επιστήμονα, οι μεγάλες φιλοδοξίες για τα μικροβιακά κύτταρα είναι δικαιολογημένες και έχει κάνει υπολογισμούς για να υποστηρίξει την άποψή του. «Ένα κουταλάκι του γλυκού βακτήρια έχει περισσότερες λογικές πύλες μέσα του από, νομίζω, 2 δισεκατομμύρια επεξεργαστές Xeon», λέει. «Έχει επίσης περισσότερη μνήμη στο DNA από ολόκληρο το διαδίκτυο. Η βιολογία έχει απίστευτη υπολογιστική ικανότητα την οποία κατανέμει σε έναν τεράστιο αριθμό κυττάρων». Ωστόσο υπάρχουν επιφυλάξεις. «Μια πύλη χρειάζεται 20 λεπτά για να πραγματοποιήσει μια επεξεργασία, άρα είναι πολύ αργή».

Πέρυσι, ο Βόιτ και οι συνεργάτες του κατάφεραν να προγραμματίσουν το DNA με τον αλγόριθμο μιας αριθμομηχανής και να δημιουργήσουν μια ψηφιακή οθόνη με φθορίζοντα E. coli. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το λογισμικό Cello που ανέπτυξε το εργαστήριο του Βόιτ. Το Cello παίρνει αρχεία από τη Verilog -μια γλώσσα προγραμματισμού που χρησιμοποιείται για την περιγραφή και τη μοντελοποίηση κυκλωμάτων- και τα μετατρέπει σε DNA, ώστε τα ίδια είδη διαμορφώσεων να μπορούν να εκτελεστούν σε κύτταρα. Ωστόσο, όλα τα κυκλώματα ήταν στριμωγμένα σε έναν μόνο τύπο κυττάρου.

«Πρέπει να βρούμε τρόπο να φτιάξουμε μεγαλύτερα σχέδια», είπε ο επιστήμονας.

«Η ικανότητα υπάρχει», λέει ο Βόιτ. «Απλώς χρειαζόμαστε τρόπους να διασπάσουμε τον αλγόριθμο σε διάφορα κύτταρα και στη συνέχεια να συνδέσουμε τα κύτταρα μεταξύ τους για να μοιραστούν αποτελεσματικά τις πληροφορίες και να εκτελέσουν συλλογικά τον υπολογισμό».

Στην προσπάθειά του να βρει τη σωστή προσέγγιση, ο Μπα επινόησε πρόσφατα έναν τύπο αρχιτεκτονικής τεχνητού νευρωνικού δικτύου για βακτηριακό υλικό. Μια άλλη προσέγγιση βασίζεται στην έννοια της «ασαφούς λογικής» («fuzzy logic»), η οποία αποφεύγει τους περιορισμούς των δυαδικών 0 και 1 και δημιουργεί ένα συνεχές που ευθυγραμμίζεται περισσότερο με το θόρυβο και το χάος των ζωντανών βιολογικών συστημάτων.

Ο συνθετικός βιολόγος Άνχελ Γκόνι-Μορένο, στο Τεχνικό Πανεπιστήμιο της Μαδρίτης, συμφωνεί με αυτή την προσέγγιση. «Αν πρόκειται να παίξουμε με τη ζωντανή τεχνολογία, τότε θα πρέπει να παίξουμε σύμφωνα με τους κανόνες των ζωντανών συστημάτων», λέει.

Ο βιολόγος θέλει να αξιοποιήσει τον τρόπο με τον οποίο τα κύτταρα αντιλαμβάνονται, ανταποκρίνονται και προσαρμόζονται στο περιβάλλον τους, χρησιμοποιώντας την ίδια τη φυσική επιλογή για να κάνουν τους υπολογισμούς. Η εξέλιξη, λέει, είναι μια βιολογική διαδικασία που υπολογίζει την πληροφορία με την πάροδο του χρόνου, βελτιστοποιώντας τα κυτταρικά συστήματα ώστε να επιτελούν μια ποικιλία εργασιών.

Ο ερευνητής πιστεύει ότι αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε τελικά να εξελιχθεί σε αυτό που αποκαλεί «κυτταρική υπεροχή». Ο όρος παραπέμπει σκόπιμα στην «κβαντική υπεροχή», το σημείο στο οποίο οι κβαντικοί υπολογιστές υπερβαίνουν τις δυνατότητες των συμβατικών υπολογιστών σε ορισμένους τομείς.

Οι βιοϋπολογιστές που έχουν εξελιχθεί σε τέτοιο βαθμό, λέει ο Μορένο, θα μπορούσαν να συμβάλλουν στην επίλυση προβλημάτων σε τομείς όπως η γεωργική παραγωγή και η στοχευμένες θεραπείες.

Με πληροφορίες από MIT Technology Review μέσω ertnews.gr, Εύη Τσιριγωτάκη

https://hellasjournal.com/