БАКТЕРИИ РЕЗКО «ПОУМНЕЛИ»: генная инженерия превратила живую клетку в биокомпьютер

Источник фото: thedigitalspeaker.com

Синтетическая биология добилась невероятного успеха: ученым удалось получить генно-модифицированные бактерии, которые решают интеллектуальные задачи, ранее доступные только людям и компьютерам. На их основе будут созданы биокомпьютеры сверхмалых размеров, способные совершить настоящую революции в медицине и космической отрасли.

ПРИРОДНЫЙ КОМПЬЮТЕР

Если вы думаете, что между живым существом и неживым компьютером существуют непреодолимые различия, вы ошибаетесь. Биологические задачи предполагают постоянные вычисления, которые совершают живые биологические клетки. То есть все живое на нашей планете, по сути, состоит из очень маленьких компьютеров.

В качестве наиболее ярких примеров можно упомянуть хотя бы иммунные клетки или нейроны мозга. Они могут выбирать правильные решения и отсеивать неправильные. Они обмениваются друг с другом информацией примерно так же, как это происходит внутри компьютерных сетей.

Неудивительно, что наука в какой-то момент обратила внимание на бактерии — этот «идеальный компьютер», созданный самой природой.

НИКАКИХ «КРЕМНИЕВЫХ» ОГРАНИЧЕНИЙ!

В отличие от современных кремниевых компьютеров бактерии свободны от целого ряда ограничений. Они производят свои клеточные вычисления постоянно, без сна и отдыха. Предполагается, что биокомпьютеры микронного масштаба способны преодолеть многие энергетические, финансовые и технологические ограничения привычных нам компьютеров, работающих на основе микропроцессоров.

Искусственной биологии остается только скопировать принципы организации таких вычислений. На помощь приходят новейшие технологии генной инженерии. Благодаря им индийские ученые смогли создать систему генно-модифицированных бактерий, которые в рамках клеточных процессов способны решать самые сложные вычислительные задачи.

МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ БИОКОМПЬЮТЕР

Журнал Nature Chemical Biology рассказал о прорыве, достигнутом исследовательской группой индийского Института ядерной физики Саха. По словам одного из ведущих авторов исследования Санграма Багха, чтобы создать клеточный биокомпьютер, исследователи искусственно сконструировали 14 бактериальных клеток.

Каждая из них функционировала как модульная и изменяемая система. Идея эксперимента состояла в том, чтобы из различных комбинаций между такими клетками-модулями получить многоклеточную систему, способную решать вычислительные задачи и задачи оптимизации. Иными словами, создать биокомпьютер микроскопического размера.

Вступая в клуб друзей Huxley, Вы поддерживаете философию, науку и искусство

Присоединиться к клубу друзей

БАКТЕРИИ С ИНТЕЛЛЕКТОМ

Всего такому биокомпьютеру было предложено решить девять очень простых задач — типа «да/нет». Многоклеточная система смогла справиться со всеми. Например, она оказалась вполне способна идентифицировать простые числа, отличить в предложенных словах гласные от согласных.

Более того, она смогла определить даже максимальное количество кусков пиццы, если ее разрезать определенное количество раз. Понятно, что распознавание простых чисел или гласных может быть легко выполнимо людьми или компьютерами, но обычным бактериям это не под силу.

Однако индийские ученые заставили генетически модифицированных бактерий резко «поумнеть. А это означает начало нового витка дискуссии вокруг происхождения «интеллекта» и его биохимической природы.

ИСКУССТВЕННЫЕ БАКТОНЕЙРОНЫ

Как же ученым удалось получить столь «интеллектуальные» бактерии? Они определенным образом построили внутри них синтетические сети генной регуляции. И в результате каждая бактерия стала работать как нейросинапс. Багх даже дал этому новому классу искусственных нейронов имя — «бактонейроны».

Когда их смешали в жидкой культуре, бактонейроны смогли сформировать искусственную нейронную сеть, которой по плечу оказалось решение вычислительных задач в бинарной системе. Бактонейросеть анализировала данные и реагировала, вырабатывая различные флуоресцентные белки: добавление определенного химического вещества в пробирку — 0, недобавление — 1.

«ИДЕАЛЬНАЯ» КИШЕЧНАЯ ПАЛОЧКА

Для своего исследования индийские ученые использовали бактерию Escherichia coli. Это кишечная палочка, которая представляет собой одноклеточный организм размером 2–5 мкм — примерно 1/20 диаметра человеческого волоса. У нее довольно быстрый темп репликации — около 30 минут.

У Escherichia coli высокая выживаемость, они хорошо чувствуют себя в самых различных средах и требуют минимума энергии. Кишечная палочка хорошо известна науке и досконально изучена. С ней легко работать.

Поэтому Санграм Багх считает этот выбор идеальным для создания биокомпьютера микронного масштаба, недоступного для кремниевых компьютерных технологий.

БАКТЕРИИ ПОМОГУТ ПОКОРИТЬ МАРС

Будущее биокомпьютеров, как считают ученые, связано с их микромасштабами. В частности, их можно использовать в медицинских целях, для выполнения автономных задач внутри человеческого организма.

Находясь внутри, они могут автономно принимать те или иные решения в зависимости от болезненного состояния, анализируя биохимические и физиологические сигналы. Подобная автономность может пригодиться при освоении космоса.

К примеру, при создании исследовательской базы на Марсе. И, конечно, же эксперименты с бактонейронами будут продолжены с целью построения более сложных вычислительных задач с возможностью многозадачности.

Оригинальные исследования: