Створені бактерії, здатні виробляти поділ, обчислювати логарифми і витягувати квадратний корінь
Група вчених-биоинженеров з Массачусетського технологічного інституту створила "аналогові калькулятори" на основі живих одноклітинних мікроорганізмів. Згідно статті, опублікованій в онлайн-виданні Nature, дослідники, вносячи зміни в генофонд бактерій, зуміли створити схеми, що можуть проводити різні обчислення, включаючи ділення, множення, обчислення логарифмів і добування квадратних коренів, набагато більш ефективним способом, ніж це роблять інші існуючі на сьогоднішній день біокомп'ютери.
Використовуючи "аналогові" обчислювальні схеми, засновані на природних біохімічних функціях живих клітин, дослідникам вдалося домогтися реалізації більш точних обчислень, ніж можна досягти з використанням цифрової дискретної логіки. Відомо, що цифрові схеми працюють з інформацією, закодованою в вигляді послідовності нулів та одиниць, на відміну від цього, аналогові схеми можуть працювати з безперервним потоком даних, враховуючи і проміжні значення.
"На відміну від цифрові, аналогові методи обчислень досить швидкі та ефективні", - розповідає Рэхул Сарпешкэр (Rahul Sarpeshkar), один з учених, що брали участь в даних дослідженнях, - "Створення аналогів цифрових схем усередині живих клітин вимагає більш глибокого і широкого генетичного втручання, яке могло призвести до повної нежиттєздатності використовуваних мікроорганізмів".
Штучні цифрові схеми, які отримують квадратні корені, складаються мінімум з 100 логічних елементів, у той час як аналогова схема, зроблена фахівцями Массачусетського технологічного інституту, що складається всього з двох частин. Для створення схем, здатних множити і ділити, дослідники об'єднали два ланцюжки, використовують гени для виробництва зеленого флуоресцентного білка (green fluorescent protein, GFP). Одна з ланцюжків використовує моносахарид, званий арабинозой (arabinose), а друга - особливий вид "сигнальних" молекул під назвою AHL. Концентрації вищезазначених речовин використовуються в якості вихідних даних, а результатом обчислень є сумарна концентрація виробленого білка GFP. На жаль, у такого біохімічного комп'ютера існують обмеження, пов'язані з діапазоном значень вхідних сигналів і одержуваних результатів, який в даний час складає від 0 до 10000 одиниць.
Кінцевою метою даних досліджень є створення аналогових обчислювальних ланцюгів не в клітинах мікроорганізмів, а в клітинах більш складних і великих живих організмів, в тому числі і ссавців. Крім цього, група дослідників постійно працює над створенням нових генних мереж і обчислювальних елементів, які дозволять реалізувати більш складні обчислювальні функції. "Тільки що ми закінчили вивчення того, що можуть зробити в живих клітинах складні ланцюги аналогових зворотних зв'язків", - розповів Рэхул Сарпешкэр, - "Такі функції в майбутньому можуть бути використані не тільки для діагностики стану організму, але і для лікування деяких видів захворювань".