Бактерия, которая может делить, вычислять логарифмы и извлекать квадратные корни

По данным статьи, недавно опубликованной в журнале «Nature», группа инженеров из Массачусетского технологического института создала аналоговые калькуляторы из живых клеток. Изменив гены бактериальных клеток, исследователи смогли создать контуры, способные выполнять вычисления – включая деление, умножение, логарифмические операции и извлечение квадратных корней – причём намного эффективнее, чем многие существующие биокомпьютеры.

Использование аналоговых контуров, которые основаны на естественных биохимических функциях клеток, позволяет проводить гораздо более тонкие вычисления по сравнению с цифровой логикой. В то время как цифровые схемы классифицируют все значения как нули и единицы, аналоговые контуры могут оперировать с непрерывным потоком вводимых данных, определяя в процессе конкретные значения. К примеру, вдобавок к возможности определить, присутствует ли в клетке молекула глюкозы, такие схемы могут вычислить её концентрацию.

«Аналоговые вычисления очень эффективны», говорит главный автор работы Рауль Сарпешкар. «Создание цифровых схем сопоставимого уровня точности потребовало бы намного больше генетических частей».

Синтетический контур, способный вычислять квадратные корни, например, требует более ста частей, в то время как контур команды из MIT использует только две.

Для создания схемы, способной проводить умножение, исследователи скомбинировали два контура, оба из которых активируют гены зелёного флуоресцентного белка (GFP). Один из них использует сахар арабинозу, а другой – молекулу-индикатор под названием AHL. Совместное значение от обоих контуров затем вычисляется при помощи общего количества полученного GFP.

Клетки проводят операции деления с помощью того же энзимного механизма, который позволяет им вычислять соотношение объёмов различных молекул. Учёные модифицировали их контуры для расширения доступного регистра и вычисления вводимых значений вплоть до 10000.

Следующая цель исследователей – воспроизвести свой успех в более крупных клетках, включая клетки млекопитающих. По сообщению MIT, профессор Сарпешкар намерен создать новые схемы, которые позволят улучшить экспрессию генов, молекулярную чувствительность и систему вычислений. «Мы пока лишь прикоснулись к тому, что сложные схемы аналоговой обратной связи могут делать в живых клетках», говорит он.

web.mit.edu