БАКТЕРІЇ СТРІМКО «ПОРОЗУМНІШАЛИ»: генна інженерія перетворила живу клітину на біокомп’ютер

Джерело фото: thedigitalspeaker.com

Синтетична біологія досягла неймовірного успіху: вченим вдалося отримати генно-модифіковані бактерії, які розв’язують інтелектуальні задачі, раніше доступні лише людям і комп’ютерам. На їхній основі буде створено біокомп’ютери надмалих розмірів, здатні здійснити справжню революцію в медицині та космічній галузі.

ПРИРОДНИЙ КОМП’ЮТЕР

Якщо ви гадаєте, що між живою істотою і неживим комп’ютером існують непереборні відмінності, ви помиляєтеся. Біологічні завдання передбачають постійні обчислення, які здійснюють живі біологічні клітини. Тобто все живе на нашій планеті, по суті, складається з дуже маленьких комп’ютерів.

Як найбільш яскраві приклади можна згадати хоча б імунні клітини або нейрони мозку. Вони можуть вибирати правильні рішення і відсівати неправильні. Вони обмінюються один з одним інформацією приблизно так само, як це відбувається всередині комп’ютерних мереж.

Недивно, що наука в якийсь момент звернула увагу на бактерії — цей «ідеальний комп’ютер», створений самою природою.

ЖОДНИХ «КРЕМНІЄВИХ» ОБМЕЖЕНЬ!

На відміну від сучасних кремнієвих комп’ютерів бактерії вільні від цілої низки обмежень. Вони виробляють свої клітинні обчислення постійно, без сну і відпочинку. Передбачається, що біокомп’ютери мікронного масштабу здатні подолати багато енергетичних, фінансових і технологічних обмежень звичних нам комп’ютерів, які працюють на основі мікропроцесорів.

Штучній біології залишається тільки скопіювати принципи організації таких обчислень. На допомогу приходять новітні технології генної інженерії. Завдяки їм індійські вчені змогли створити систему генно-модифікованих бактерій, які в рамках клітинних процесів здатні розв’язувати найскладніші обчислювальні завдання.

МІКРОСКОПІЧНИЙ БІОКОМП’ЮТЕР

Журнал Nature Chemical Biology розповів про прорив, досягнутий дослідницькою групою індійського Інституту ядерної фізики Саха. За словами одного з провідних авторів дослідження Санграма Багха, щоб створити клітинний біокомп’ютер, дослідники штучно сконструювали 14 бактеріальних клітин.

Кожна з них функціонувала як модульна і змінювана система. Ідея експерименту полягала в тому, щоб із різних комбінацій між такими клітинами-модулями отримати багатоклітинну систему, здатну розв’язувати обчислювальні задачі та задачі оптимізації. Іншими словами, створити біокомп’ютер мікроскопічного розміру.

Вступаючи до клубу друзів Huxley, Ви підтримуєте філософію, науку та мистецтво

Приєднатися до клубу друзів

БАКТЕРІЇ З ІНТЕЛЕКТОМ

Загалом такому біокомп’ютеру було запропоновано вирішити дев’ять дуже простих завдань — типу «так/ні». Багатоклітинна система змогла впоратися з усіма. Наприклад, вона виявилася цілком здатною ідентифікувати прості числа, відрізнити в запропонованих словах голосні від приголосних.

Ба більше, вона змогла визначити навіть максимальну кількість шматків піци, якщо її розрізати певну кількість разів. Зрозуміло, що розпізнавання простих чисел або голосних може легко здійснюватися людьми або комп’ютерами, але звичайним бактеріям це не під силу.

Однак індійські науковці змусили генетично модифікованих бактерій стрімко «порозумнішати». А це означає початок нового рівня дискусії навколо походження «інтелекту» та його біохімічної природи.

ШТУЧНІ БАКТОНЕЙРОНИ

Як же вченим вдалося отримати настільки «інтелектуальні» бактерії? Вони певним чином побудували всередині них синтетичні мережі генної регуляції. І в результаті кожна бактерія стала працювати як нейросинапс. Багх навіть дав цьому новому класу штучних нейронів назву — «бактонейрони».

Коли їх змішали в рідкій культурі, бактонейрони змогли сформувати штучну нейронну мережу, якій до снаги виявилося розв’язання обчислювальних задач у бінарній системі. Бактонейромережа аналізувала дані та реагувала, виробляючи різні флуоресцентні білки: додавання певної хімічної речовини до пробірки — 0, недодавання — 1.

«ІДЕАЛЬНА» КИШКОВА ПАЛИЧКА

Для свого дослідження індійські вчені використовували бактерію Escherichia coli. Це кишкова паличка, яка являє собою одноклітинний організм розміром 2–5 мкм — приблизно 1/20 діаметра людської волосини. У неї досить швидкий темп реплікації — близько 30 хвилин.

Escherichia coli мають високу життєздатність, вони добре почуваються в найрізноманітніших середовищах і потребують мінімуму енергії. Кишкова паличка добре відома науці й досконально вивчена. З нею легко працювати.

Тому Санграм Багх вважає цей вибір ідеальним для створення біокомп’ютера мікронного масштабу, недоступного для кремнієвих комп’ютерних технологій.

БАКТЕРІЇ ДОПОМОЖУТЬ ПІДКОРИТИ МАРС

Майбутнє біокомп’ютерів, як вважають науковці, пов’язане з їхніми мікромасштабами. Зокрема, їх можна використовувати в медичних цілях, для виконання автономних завдань усередині людського організму.

Перебуваючи всередині, вони можуть автономно приймати ті чи інші рішення залежно від хворобливого стану, аналізуючи біохімічні та фізіологічні сигнали. Подібна автономність може стати в пригоді під час освоєння космосу.

Наприклад, при створенні дослідницької бази на Марсі. І, звісно, експерименти з бактонейронами буде продовжено з метою побудови більш складних обчислювальних завдань із можливістю багатозадачності.

Оригінальні дослідження: