الكمبيوتر الحيوي للإشريكية القولونية يحل متاهة من خلال مشاركة العمل

أندريا كرونوبولوس



بكتريا قولونية يزدهر في أحشائنا ، وأحيانًا يكون له تأثير مؤسف ، ويسهل التقدم العلمي - في الحمض النووي والوقود الحيوي ولقاح كوفيد من شركة فايزر ، على سبيل المثال لا الحصر. الآن هذه البكتيريا متعددة المواهب لديها حيلة جديدة: يمكنها حل مشكلة متاهة حسابية كلاسيكية باستخدام الحوسبة الموزعة - تقسيم الحسابات الضرورية بين أنواع مختلفة من الخلايا المعدلة وراثيًا.

هذا العمل الفذ هو الفضل في علم الأحياء التركيبي ، الذي يهدف إلى تجهيز الدوائر البيولوجية مثل الدوائر الإلكترونية إلى حد كبير وبرمجة الخلايا بسهولة مثل أجهزة الكمبيوتر.





تجربة المتاهة يُعد t جزءًا مما يعتبره بعض الباحثين اتجاهًا واعدًا في هذا المجال: بدلاً من هندسة نوع واحد من الخلايا للقيام بكل العمل ، فإنهم يصممون أنواعًا متعددة من الخلايا ، لكل منها وظائف مختلفة ، لإنجاز المهمة. من خلال العمل الجماعي ، قد تكون هذه الميكروبات المهندسة قادرة على حساب وحل المشكلات مثل الشبكات متعددة الخلايا في البرية.

حتى الآن ، للأفضل أو للأسوأ ، فإن الاستفادة الكاملة من القوة التصميمية للبيولوجيا قد أفلت وأحبط علماء الأحياء الاصطناعية. طبيعة سجية يمكن أن تفعل هذا (التفكير في الدماغ) ، ولكن نحن لا تعرف حتى الآن كيفية التصميم على هذا المستوى الهائل من التعقيد باستخدام علم الأحياء ، كما تقول باميلا سيلفر ، عالمة الأحياء الاصطناعية في جامعة هارفارد.

هل لدى داعش تغريد

الدراسة مع بكتريا قولونية كمحللين للمتاهة ، بقيادة عالم الفيزياء الحيوية سانجرام باغ في معهد ساها للفيزياء النووية في كولكاتا ، هي مشكلة لعبة بسيطة وممتعة. لكنها تعمل أيضًا كدليل على مبدأ الحوسبة الموزعة بين الخلايا ، مما يوضح كيف يمكن حل المشكلات الحسابية الأكثر تعقيدًا وعملية بطريقة مماثلة. إذا نجح هذا النهج على نطاقات أكبر ، فقد يفتح التطبيقات المتعلقة بكل شيء من الأدوية إلى الزراعة إلى السفر إلى الفضاء.



بينما ننتقل إلى حل مشاكل أكثر تعقيدًا مع الأنظمة البيولوجية المهندسة ، فإن توزيع الحمل مثل هذا سيكون قدرة مهمة على التأسيس ، كما يقول David McMillen ، مهندس بيولوجي في جامعة تورنتو.

كيفية بناء متاهة بكتيرية

الحصول بكتريا قولونية لحل مشكلة المتاهة ينطوي على بعض البراعة. لم تتجول البكتيريا في متاهة القصر من التحوطات المشذبة جيدًا. بدلا من ذلك ، قامت البكتيريا بتحليل تكوينات متاهة مختلفة. الإعداد: متاهة واحدة لكل أنبوب اختبار ، مع كل متاهة تم إنشاؤها بواسطة مزيج كيميائي مختلف.

تم استخراج الوصفات الكيميائية من شبكة 2 × 2 تمثل مشكلة المتاهة. المربع العلوي الأيسر للشبكة هو بداية المتاهة ، والمربع الأيمن السفلي هو الوجهة. يمكن أن يكون كل مربع على الشبكة إما مسارًا مفتوحًا أو مسدودًا ، مما ينتج عنه 16 متاهات محتملة.

ترجم باغ وزملاؤه هذه المشكلة رياضيًا إلى جدول حقائق مكون من واحد رمل 0 s ، تظهر جميع تكوينات المتاهة الممكنة. ثم قاموا بتعيين هذه التكوينات على 16 توليفة مختلفة من أربع مواد كيميائية. يتوافق وجود أو عدم وجود كل مادة كيميائية مع ما إذا كان مربع معين مفتوحًا أو مسدودًا في المتاهة.



صمم الفريق مجموعات متعددة من بكتريا قولونية بدوائر وراثية مختلفة تكشف عن تلك المواد الكيميائية وتحللها. معًا ، يعمل السكان المختلطون من البكتيريا كجهاز كمبيوتر موزع ؛ تؤدي كل مجموعة من مجموعات الخلايا المختلفة جزءًا من الحساب ومعالجة المعلومات الكيميائية وحل المتاهة.

عند إجراء التجربة ، وضع الباحثون أولاً بكتريا قولونية في 16 أنبوب اختبار ، تمت إضافة مزيج مختلف من المتاهة الكيميائية في كل منها ، وترك البكتيريا لتنمو. بعد 48 ساعة ، إذا كان بكتريا قولونية لم يكتشف أي مسار واضح عبر المتاهة - أي إذا كانت المواد الكيميائية المطلوبة غائبة - ثم ظل النظام مظلمًا. في حالة وجود التركيبة الكيميائية الصحيحة ، يتم تشغيل الدوائر المقابلة وتعبر البكتيريا بشكل جماعي عن البروتينات الفلورية ، باللون الأصفر أو الأحمر أو الأزرق أو الوردي ، للإشارة إلى الحلول. يقول باغ ، إذا كان هناك مسار ، حل ، فإن البكتيريا تتوهج.

قائمة الانهيارات النووية
صورة البحث متاهات البكتيريا

يتم عرض أربعة من 16 تكوينًا ممكنًا للمتاهة. لا تحتوي المتاهتان الموجودتان على اليسار على مسارات واضحة من البداية إلى الوجهة (بسبب المربعات المعوقة / المظللة) ؛ وبالتالي لا يوجد حل والنظام مظلم. بالنسبة للمتاهتين على اليمين ، توجد مسارات واضحة (مربعات بيضاء) ، لذا فإن بكتريا قولونية توهجات حلال المتاهة - تعبر البكتيريا مجتمعة عن بروتينات الفلورسنت ، مشيرة إلى الحلول.

كاثاكالي سركار وصانغرام باغ

ما وجده باغ مثيرًا بشكل خاص هو أنه أثناء التنقل في جميع المتاهات الستة عشر ، كان بكتريا قولونية قدمت دليلًا ماديًا على أن ثلاثة فقط كانت قابلة للحل. يقول إن حساب هذا بمعادلة رياضية ليس بالأمر السهل. مع هذه التجربة ، يمكنك تصورها بكل بساطة.

أهداف نبيلة

يتصور باغ أن مثل هذا الكمبيوتر البيولوجي يساعد في التشفير أو إخفاء المعلومات (فن وعلم إخفاء المعلومات) ، والتي تستخدم متاهات من أجل تشفير و إخفاء البيانات ، على التوالي. لكن الآثار تمتد إلى ما هو أبعد من تلك التطبيقات إلى الطموحات العلوية للبيولوجيا التركيبية.

فكرة علم الأحياء الاصطناعية يعود تاريخه إلى الستينيات ، ولكن ظهر المجال بشكل ملموس في عام 2000 مع إنشاء الدوائر البيولوجية الاصطناعية (على وجه التحديد ، أ مفتاح الفصل الكهربائي و مذبذب ) التي جعلت من الممكن بشكل متزايد برمجة الخلايا لإنتاج المركبات المرغوبة أو التفاعل بذكاء داخل بيئاتها.

هل تبلغ قيمة قصة البيولوجيا التركيبية للجنكو 15 مليار دولار؟

وعد جيسون كيلي بثورة تصنيع مع الحمض النووي. فقط لا تطلب منه صنع أي منتجات.

ومع ذلك ، لم يكن علم الأحياء هو الأكثر تعاونًا بين المتعاونين. أحد العوامل المحددة هو عدد التغييرات التي يمكنك إجراؤها على الخلية دون تدمير قابليتها للحياة. يقول ماكميلين إن الخلية لها اهتماماتها الخاصة ، حيث يعمل مختبرها على تطوير نظام قائم على الخميرة يكتشف الأجسام المضادة للملاريا في عينات الدم ونظامًا مشابهًا لفيروس كوفيد. عند إدخال مكونات من تصميم الإنسان في نظام بيولوجي ، كما يقول ، فأنت تقاتل ضد الانتقاء الطبيعي والنتروبيا ، وهما من أكبر العناصر من حيث قوى الطبيعة.

إذا كانت الخلية مثقلة بعدد كبير جدًا من doodads ، على سبيل المثال ، فهناك خطر حدوث تداخل وتداخلات - مما يعيق الأداء ويحد من إمكانات النظام. يقول باغ إنه باستخدام أدوات حل المتاهة الحاسوبية ، كان من الممكن برمجة الخوارزمية في نوع واحد فقط من بكتريا قولونية خلية - زنزانة. لكن النظام كان يعمل بشكل أفضل عندما تم توزيع وظائف الدائرة الضرورية بين ستة أنواع من الخلايا.

هناك حد مادي لعدد الأجزاء الجينية التي يمكن استخدامها في خلية واحدة ، كما تقول كارين بوليزي ، مهندسة كيميائية في إمبريال كوليدج لندن ، التي تطور أجهزة استشعار حيوية خلوية لمراقبة تصنيع البروتينات العلاجية واللقاحات. هذا يحد من تعقيد مفاهيم الحوسبة التي يمكن تطويرها.

وتضيف أن الحوسبة الموزعة قد تكون في الواقع وسيلة لتحقيق بعض أهداف [البيولوجيا التركيبية] النبيلة حقًا. لأنه لا توجد طريقة للحصول على خلية للقيام بمهمة معقدة بشكل كامل من تلقاء نفسها.

التفوق الخلوي

كريس فويجت ، عالم الأحياء التركيبية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (ورئيس تحرير علم الأحياء الاصطناعية ACS ، الذي نشر نتيجة باغ) ، يعتقد الحوسبة الموزعة هو الاتجاه الذي يجب أن تسلكه البيولوجيا التركيبية.

من وجهة نظر فويجت ، فإن الطموحات الكبيرة للخلايا الميكروبية لها ما يبررها - وهو يجري العمليات الحسابية لدعم ذلك. يقول إن ملعقة صغيرة من البكتيريا بها بوابات منطقية أكثر من 2 مليار معالج Xeon ، على ما أعتقد. ولديها ذاكرة في الحمض النووي أكثر من الإنترنت بأكمله. يمتلك علم الأحياء قدرة حاسوبية لا تُصدق ، ويقوم بذلك عن طريق توزيعها على عدد هائل من الخلايا. ولكن هناك محاذير: تستغرق البوابة 20 دقيقة للمعالجة ، لذا فهي بطيئة جدًا.

لعبة عدد الأولية والمركبة

في العام الماضي ، نجح Voigt والمتعاونون معه في برمجة الحمض النووي باستخدام خوارزمية الآلة الحاسبة وإنشاء ملف عرض رقمي مع التألق بكتريا قولونية . استخدموا برنامجًا تم إنشاؤه بواسطة مختبر Voigt ، يسمى Cello. يأخذ Cello ملفات من Verilog - لغة برمجة تستخدم لوصف ونمذجة الدوائر - ويحولها إلى DNA ، لذلك يمكن تشغيل نفس أنواع التكوينات في الخلايا. كل الدوائر الخاصة بـ بكتريا قولونية ومع ذلك ، تم حشر الآلة الحاسبة في نوع واحد من الخلايا ، مستعمرة واحدة. يعترف أننا وصلنا إلى الحد من ذلك نوعًا ما. نحن بحاجة لمعرفة كيفية عمل تصميمات أكبر.

يقول فويجت إنه حتى لو أراد الباحثون تشغيل شيء ما على مستوى منخفض من المستوى وفقًا لمعايير اليوم مثل أنظمة التوجيه Apollo 11 في البكتيريا ، فلا يمكن القيام بذلك في خلية واحدة مصممة. يقول إن القدرة موجودة. نحتاج فقط إلى طرق لتفكيك الخوارزمية عبر الخلايا ثم ربط الخلايا لمشاركة المعلومات بكفاءة حتى يتمكنوا من إجراء الحساب بشكل جماعي.

في الواقع ، يتساءل Voigt عما إذا كان التقليد المباشر للحوسبة الإلكترونية التقليدية هو أفضل نهج لتسخير القوة الحاسوبية للبيولوجيا وحل المشكلات المعقدة القائمة على أساس حيوي.

في بحثه عن النهج الصحيح ، ابتكر باغ أيضًا مؤخرًا نوعًا من شبكة اعصاب صناعية الهندسة المعمارية للأجهزة البكتيرية. وهو مهتم باستكشاف نهج يتضمن منطقًا غامضًا ، يتجاوز قيود النظام الثنائي 0 رمل واحد ق نحو سلسلة متصلة أكثر اتساقًا مع ضوضاء وفوضى الأنظمة البيولوجية الحية.

يفكر عالم الأحياء التركيبية أنجيل غوني مورينو ، بجامعة مدريد التقنية ، على نفس المنوال. يقول إنه إذا كنا سنلعب بالتكنولوجيا الحية ، فعلينا أن نلعب وفقًا لقواعد الأنظمة الحية.

يتخيل Goñi-Moreno الانفصال عن تشبيه الدائرة الإلكترونية من خلال الاستفادة من كيفية إحساس الخلايا واستجابتها و التكيف مع بيئتهم ، باستخدام الانتقاء الطبيعي نفسه كأداة لدفع التصاميم الحسابية إلى الأمام. إن التطور ، كما يقول ، هو عملية بيولوجية تحسب المعلومات بمرور الوقت ، وتحسن الأنظمة الخلوية لإنجاز مجموعة متنوعة من المهام.

يعتقد Goñi-Moreno أن هذا النهج يمكن أن يتوج في النهاية بما يسميه التفوق الخلوي . يرسم المصطلح توازيًا متعمدًا مع التفوق الكمي (يُطلق عليه الآن أحيانًا أولوية الكم) - النقطة التي تتجاوز فيها أجهزة الكمبيوتر الكمومية قدرات الحوسبة التقليدية في مجالات معينة. يقول Goñi-Moreno إن أجهزة الكمبيوتر الحيوية التي تطورت إلى هذا الحد ، قد توفر ذكاءً فائقًا في حل المشكلات في مجالات مثل تعزيز الإنتاج الزراعي (فكر في بكتيريا التربة التي يمكنها تعديل المواد الكيميائية التي تصنعها ظروف التحول القائمة) واستهداف علاجات الأمراض.

فقط لا تتوقع بكتريا قولونية للمساعدة في تصفح الإنترنت أو كسر مشكلة P مقابل NP —لذلك ، سنظل بحاجة إلى أجهزة كمبيوتر جيدة من الطراز القديم.

يخفي

التقنيات الفعلية

فئة

غير مصنف

تكنولوجيا

التكنولوجيا الحيوية

سياسة التكنولوجيا

تغير المناخ

البشر والتكنولوجيا

وادي السيليكون

الحوسبة

مجلة Mit News

الذكاء الاصطناعي

الفراغ

المدن الذكية

بلوكشين

قصة مميزة

الملف الشخصي للخريجين

اتصال الخريجين

ميزة أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

1865

وجهة نظري

77 Mass Ave

قابل المؤلف

ملامح في الكرم

شوهد في الحرم الجامعي

خطابات الخريجين

أخبار

انتخابات 2020

فهرس With

تحت القبه

خرطوم الحريق

قصص لانهائية

مشروع تكنولوجيا الوباء

من الرئيس

غلاف القصه

معرض الصور

موصى به