نوعی مدار زیستی که نقش ترانزیستور دارند!

به گزارش مجله خبری نگار/بهار، وبگاه سای‌تِک‌دِیلی در گزارشی آورده است:

ترانزیستور در وسایل الکترونیکی مانند کلیدی است که جریان برق را قطع و وصل می‌کند. در این سامانه زیستی، باکتری‌های دستکاری‌شده نقش مشابهی ایفا می‌کنند؛ یعنی با تولید مولکول‌های کوچک، پیام‌ها را به بخش‌های بعدی مدار می‌رسانند یا متوقف می‌کنند.

این گروه دو نوع باکتری کلیدمانند و سه نوع باکتری واسطه ساختند که پیام را از یک نقطه به نقطه بعدی می‌رسانند. این پنج نوع باکتری با هم مانند قطعاتی عمل می‌کنند که می‌توان آنها را به شکل‌های مختلفی چید و مدار‌های گوناگون ساخت.

در یک مطالعه جدید، پژوهشگران از این سامانه برای ساخت مدار‌هایی استفاده کردند که می‌توانند دو یا سه ورودی را با هم ترکیب کنند و یک سیگنال را به مقصد مشخصی بفرستند.

حمید دوست‌حسینی، پژوهشگر پسادکتری مؤسسه فناوری ماساچوست و نویسنده اصلی این مطالعه، می‌گوید: ما برخی از اجزای اولیه رایانه را ساخته‌ایم، اما هر عملیاتی را می‌توان با این پنج نوع باکتری ساخت.

کاربرد آینده؛ مدار‌های زیستی روی گیاهان

پژوهشگران در نهایت امیدوارند نوعی مدار زیستی بسازند که بتوان آنها را روی برگ یا ریشه گیاهان قرار داد. این مدار‌ها می‌توانند اطلاعات مربوط به شرایط محیطی، مانند خشکسالی یا حمله آفات را پردازش و پاسخ مناسب را فعال کنند.

کریستوفر وویت (Christopher Voigt)، رئیس بخش مهندسی زیستی مؤسسه فناوری ماساچوست، نویسنده ارشد این مقاله است که در مجله شیمی و زیست‌شناسی طبیعت/ Nature Chemical Biology منتشر شده است.

چرا ساخت این مدار‌ها در یک سلول دشوار است؟

مدار‌های زیست‌شناسی مصنوعی معمولاً با دستکاری سلول‌ها ساخته می‌شوند تا پروتئین‌هایی تولید کنند که مانند کلید‌های روشن/خاموش، ژن‌ها را کنترل می‌کنند. اما تعداد این کلید‌ها محدود است و جای‌دادن مدار‌های متعدد در یک سلول، به ساختار آن فشار وارد می‌کند.

این گروه پژوهشی به جای اینکه کل مدار را در یک سلول جا دهند، سلول‌های منفرد را طوری دستکاری کردند که هر کدام مانند یک ترانزیستور عمل کند. برای ساخت این ترانزیستورها، از یک باکتری به نام پانتوآ آگلومرانس استفاده کردند که معمولاً روی سطوح، از جمله گیاهان، رشد می‌کند. آنها دو نوع ترانزیستور باکتریایی ساختند که با مولکولی به نام اوسی- ۶/ OC-۶ کنترل می‌شوند؛ یکی با آن فعال می‌شود و دیگری غیرفعال.

اتصال باکتری‌ها به یکدیگر

این گروه سه نوع باکتری دیگر نیز ساختند که نقش واسطه را ایفا می‌کنند. این باکتری‌ها سیگنال را از یک ترانزیستور دریافت می‌کنند، آن را به شکل جدیدی تبدیل می‌کنند و به ترانزیستور بعدی می‌رسانند. به این ترتیب، پژوهشگران می‌توانند باکتری‌ها را مانند قطعات یک برد مدار الکترونیکی به هم متصل کنند.

برای ساخت این مدارها، پژوهشگران توده‌های باکتریایی را با یک چاپگر ویژه، روی لایه‌ای از آگار (نوعی ژله مغذی که باکتری‌ها روی آن رشد می‌کنند) قرار دادند. توده‌های همسایه حدود ۵ میلی‌متر از هم فاصله داشتند. این فاصله باعث می‌شود هر سیگنال فقط به نزدیک‌ترین توده برسد و مسیر حرکت اطلاعات کنترل‌شده باشد.

از باکتری تا محاسبه؛ مدار‌های زنده چه می‌کنند؟

پژوهشگران نشان دادند که یک ترانزیستور منفرد، بسته به موقعیتش در مدار، می‌تواند چند نوع عملیات منطقی (مانند و، یا و اگر) انجام دهد. آنها همچنین ترانزیستور‌ها را در سامانه‌های پیشرفته‌تری ترکیب کردند. این مدار‌ها توانستند دو سیگنال را با هم جمع کنند و به‌عنوان یک دی‌مالتی‌پلکسر (واحدی که یک سیگنال ورودی را به یکی از چند خروجی ممکن هدایت می‌کند) عمل کنند. بزرگ‌ترین مدار این مطالعه شامل ۲۴ توده باکتریاییِ متصل بود.

وویت می‌گوید: این کار نشان می‌دهد که می‌توانیم با اتصال عملکرد‌های ساده‌تر در سلول‌های منفرد، به عملکرد‌های پیچیده‌تر دست یابیم. از نظر محاسباتی، هیچ کاری نیست که یک گوشی هوشمند بتواند انجام دهد و این مدار‌ها نتوانند.

محاسبات کند، اما با هدفی زیستی

این مدار‌های زنده بسیار کندتر از رایانه‌های معمولی کار می‌کنند. هر محاسبه در آنها حدود هشت ساعت طول می‌کشد؛ اما برای کاری که این پژوهشگران در نظر دارند، این سرعت کافی است.

وویت می‌گوید: نمی‌خواهیم جای رایانه‌ها را بگیریم. هدف ما این است که به گیاهان و موجودات زنده توانایی تصمیم‌گیری بدهیم. فرض کنید باکتری‌هایی روی ریشه یک گیاه قرار دارند. اگر این باکتری‌ها یک شب تا صبح وضعیت گیاه را بررسی کنند، این زمان نسبت به یک فصل رشد (چند ماه) بسیار سریع است.

او ادامه می‌دهد: در کشاورزی، می‌توان این مدار‌ها را روی ریشه گیاهان قرار داد تا مثلاً خشکسالی، حمله آفات یا بیماری را تشخیص دهند. وقتی یکی از این مشکلات شناسایی شود، مدار می‌تواند واکنشی مانند تولید یک قارچ‌کش طبیعی را فعال کند.