پژوهشگران امآیتی با مهندسی سویههایی از باکتری Pantoea agglomerans سلولهای زنده را بهعنوان ترانزیستورهای زنده در مدارهای زیستی بهکار بردهاند. این مدارهای چاپشده روی سطوح رشد قادر به پردازش و هدایت سیگنالهای شیمیایی هستند و امکان انجام عملیات محاسباتی ساده را فراهم میکنند.
نحوه کار: باکتریها بهعنوان ترانزیستور
در الکترونیک، ترانزیستور جریان الکتریکی را کنترل میکند؛ در این سامانه زیستی، کلونیهای باکتریایی حرکت مولکولهای سیگنالدهنده را تنظیم میکنند تا اطلاعات به بخشهای بعدی مدار منتقل شود. بهعبارت دیگر، بهجای جریان الکتریکی، جریان مولکولهای پیامرسان مدیریت میشود. برای آشنایی کلی دربارهٔ ترانزیستور و زمینهٔ زیستشناسی سنتتیک میتوانید به منابع زیر مراجعه کنید: ترانزیستور و زیستشناسی سنتتیک.
اجزای طراحیشده
- دو نوع «ترانزیستور باکتریایی» که به مولکول OC 6 پاسخ میدهند؛ یکی با حضور OC 6 روشن میشود و دیگری با همان مولکول خاموش میشود.
- هر ترانزیستور همچنین به حضور مولکول OC 12 حساس است و بنا بر وضعیت آن، خروجی شیمیایی OHC 14 تولید میکند.
- سه سویهٔ اضافی بهعنوان رِله عمل میکنند و OHC 14 را به سیگنالی تبدیل میکنند که برای ترانزیستور بعدی قابلفهم باشد.
چاپ و سیمکشی مدارهای زنده
برای ساخت مدارها، محققان کلونیهای باکتریایی را روی پلیتهای آگار چاپ کردند. هر کلونی تقریباً 5 میلیمتر از کلونی کناری فاصله داشت تا انتشار سیگنالهای شیمیایی محدود به همسایهٔ مجاور باقی بماند و جهتدار بودن جریان اطلاعات حفظ شود. این آرایش به اجزای مستقل زیستی امکان میدهد همانند قطعات یک مدار «سیمکشی» شوند؛ نمونهٔ این گونه سیمکشی در Pantoea agglomerans مشاهده شد.
نمونههای عملی
- ساخت گیتهای منطقی چندورودی از جمله گیت OR و IMPLY.
- جمع کردن دو یا سه ورودی و پیادهسازی عملکرد دِمالتیپلکسر برای هدایت یک ورودی به مقصد مشخص بر اساس سیگنال کنترل.
- بزرگترین مدار ساختهشده شامل 24 کلونی پیوسته بود که برای جمع دو ورودی طراحی شده بود.
کاربردها و ملاحظات ایمنی
یکی از کاربردهای بالقوه، قرار دادن این مدارهای زنده روی برگ یا ریشهٔ گیاهان برای پردازش شرایط محیطی و فعالسازی خودکار مکانیسمهای دفاعی مانند پاسخ به خشکی یا حملهٔ آفات است. با این حال، بهکارگیری میدانی مستلزم ارزیابیهای گسترده در زمینهٔ ایمنی زیستی، پایداری سیگنال، کنترل انتشار و تطابق با مقررات است.
کریستوفر ویگت، رئیس دپارتمان مهندسی زیستی امآیتی و نویسندهٔ ارشد مقاله، کار را گامی بهسمت طراحی الگوهای محاسباتی در سامانههای زیستی توصیف کرده است. نتایج تیم در نشریهٔ Nature Chemical Biology منتشر شده و نشان میدهد همان پنج سویه میتوانند مجموعهای از عملیات پایهٔ محاسباتی را اجرا کنند.
محدودیتها و جهتهای بعدی
چالشهای اصلی شامل افزایش مقیاس مدارها، جلوگیری از تداخل غیرقابلپیشبینی سیگنالها در شرایط پیچیدهٔ محیطی، و تضمین سازوکارهای ایمنی ژنتیکی است. تیم پژوهشی بر تقویت ثبات سیگنال و توسعهٔ روشهایی برای ادغام این مدارها با نمونههای گیاهی واقعی تمرکز خواهد کرد تا امکان استفادهٔ عملی در کشاورزی و پایش محیطی فراهم شود.
نتیجهگیری و چشمانداز
ترکیب بیولوژی مهندسی و طراحی مدار، چشمانداز جدیدی برای ساخت حسگرها و سامانههای حفاظتی زنده پیش روی میگذارد، اما همزمان پرسشهای عملی و اخلاقی دربارهٔ مدیریت و ایمنسازی این فناوریها باقی میماند.
این پژوهش نشان میدهد که ترانزیستورهای زنده میتوانند پایهای برای سیستمهای محاسباتی و کنترلی در محیطهای زیستی باشند؛ پیشرفتهایی که نیازمند چارچوبهای ایمنی و مقرراتی دقیقاند.
