En E. coli biodator löser en labyrint genom att dela arbetet

21

Gentekniskt framställda bakterier, uppbyggda som ett distribuerat datorsystem, kan hjälpa till att förverkliga syntetisk biologis högre mål.

Av

9 november 2021

Andrea Chronopoulos

E. coli trivs i våra tarmar, ibland till olycklig effekt, och det underlättar vetenskapliga framsteg – inom DNA, biobränslen och Pfizers covid-vaccin, för att bara nämna några. Nu har den här mångbegåvade bakterien ett nytt knep: den kan lösa ett klassiskt beräkningslabyrintproblem med hjälp av distribuerad beräkning – genom att dela upp de nödvändiga beräkningarna mellan olika typer av genetiskt modifierade celler.

Denna snygga bedrift är en kredit till syntetisk biologi, som syftar till att rigga upp biologiska kretsar ungefär som elektroniska kretsar och att programmera celler lika enkelt som datorer.

Labyrintexperimentet är en del av vad vissa forskare anser vara en lovande riktning på området: snarare än att konstruera en enda typ av cell för att göra allt arbete, designar de flera typer av celler, var och en med olika funktioner, för att få jobbet gjort. Genom att arbeta tillsammans kan dessa konstruerade mikrober kanske “beräkna” och lösa problem mer som flercelliga nätverk i naturen.

Hintills, på gott och ont, har det att fullt ut utnyttja biologins designkraft gäckat och frustrerat syntetiska biologer. “Naturen kan göra det här (tänk på en hjärna), men vi vet ännu inte hur vi ska designa på den överväldigande komplexitetsnivån med biologi”, säger Pamela Silver, syntetisk biolog vid Harvard.

Studien med E. coli som labyrintlösare, ledd av biofysikern Sangram Bagh vid Saha Institute of Nuclear Physics i Kolkata, är ett enkelt och roligt leksaksproblem. Men det fungerar också som ett principbevis för distribuerad beräkning mellan celler, och visar hur mer komplexa och praktiska beräkningsproblem kan lösas på liknande sätt. Om detta tillvägagångssätt fungerar i större skala, kan det låsa upp applikationer som hänför sig till allt från läkemedel till jordbruk till rymdresor.

“När vi går in på att lösa mer komplexa problem med konstruerade biologiska system, kommer det att vara en viktig kapacitet att sprida ut belastningen på det här sättet”, säger David McMillen, bioingenjör vid University of Toronto.

Hur man bygger en bakteriell labyrint

Att få E. coli att lösa labyrintproblemet innebar en del uppfinningsrikedom. Bakterierna vandrade inte genom en palatslabyrint av välklippta häckar. Snarare analyserade bakterierna olika labyrintkonfigurationer. Inställningen: en labyrint per provrör, där varje labyrint genereras av ett annat kemiskt hopkok.

De kemiska recepten abstraherades från ett 2 × 2 rutnät som representerade labyrintproblemet. Rutnätets övre vänstra ruta är starten på labyrinten, och den nedre högra fyrkanten är destinationen. Varje ruta på rutnätet kan antingen vara en öppen väg eller blockerad, vilket ger 16 möjliga labyrinter.

Bagh och hans kollegor översatte matematiskt detta problem till en sanningstabell bestående av 1:or och 0:or, som visar alla möjliga labyrintkonfigurationer. Sedan kartlade de dessa konfigurationer på 16 olika hopkok av fyra kemikalier. Närvaron eller frånvaron av varje kemikalie motsvarar om en viss kvadrat är öppen eller blockerad i labyrinten.

Teamet konstruerade flera uppsättningar av E. coli med olika genetiska kretsar som upptäckte och analyserade dessa kemikalier. Tillsammans fungerar den blandade populationen av bakterier som en distribuerad dator; var och en av de olika uppsättningarna av celler utför en del av beräkningen, bearbetar den kemiska informationen och löser labyrinten.

Under experimentet lade forskarna först E. coli i 16 provrör, lade till en annan kemisk labyrintblandning i varje och lämnade bakterierna att växa. Efter 48 timmar, om E. coli upptäckte ingen tydlig väg genom labyrinten – det vill säga om de nödvändiga kemikalierna saknades – då förblev systemet mörkt. Om den korrekta kemiska kombinationen fanns, slogs motsvarande kretsar på och bakterierna uttryckte kollektivt fluorescerande proteiner, i gult, rött, blått eller rosa, för att indikera lösningar. “Om det finns en väg, en lösning, lyser bakterierna”, säger Bagh.

bakterier mazes research imageFyra av 16 möjliga labyrintkonfigurationer visas. De två labyrinterna till vänster har inga tydliga vägar från start till destination (på grund av blockerade/skuggade rutor), så det finns ingen lösning och systemet är mörkt. För de två labyrinterna till höger finns det tydliga vägar (vita rutor), så E. coli labyrintlösaren lyser – bakterierna uttrycker tillsammans fluorescerande proteiner, vilket indikerar lösningarna. KATHAKALI SARKAR OCH SANGRAM BAGH

Det som Bagh tyckte var särskilt spännande var att E. coli, när de gick igenom alla 16 labyrinter, gav fysiska bevis på att endast tre var lösbara. “Att beräkna detta med en matematisk ekvation är inte enkelt,” säger Bagh. “Med det här experimentet kan du visualisera det väldigt enkelt.”

Höga mål

Bagh tänker sig en sådan biologisk dator som hjälper till med kryptografi eller steganografi (konsten och vetenskapen om att dölja information), som använder labyrinter för att kryptera respektive dölja data. Men konsekvenserna sträcker sig bortom dessa tillämpningar till syntetisk biologis högre ambitioner.

Idén om syntetisk biologi dateras till 1960-talet, men området uppstod konkret år 2000 med skapandet av syntetiska biologiska kretsar (specifikt en vippströmbrytare och en oscillator) som gjorde det alltmer möjligt att programmera celler för att producera önskade föreningar eller reagera intelligent inom deras miljöer.