Din obişnuinţă presupunem că pentru a fabrica computere e nevoie de siliciu, însă nu există o legătură obligatorie între calculator şi acest material. Tot ce trebuie să facă un inginer pentru a crea un computer este să găsească o metodă de a construi porţi logice.
Porţile logice sunt părţile componente elementare ale computerelor digitale, iar inginerul de calculatoare de care vorbeam le poate construi, ipotetic vorbind, din orice tip de material are la îndemână.
Aşa că porţile logice ar putea fi, în teorie, făcute din ţevi de apă, canale pentru bile de biliard, sau chiar labirinturi pentru crabi-soldat.
Prin comparaţie ambiţia lui Tae Seok Moon, de a construi porţi logice din gene, pare eminamente practică. Ca partener de studii postdoctorale în laboratorul Dr. Christopher Voigt, specializat în biologie sintetică la Massachusetts Institute of Technology, el a construit cel mai mare circuit din gene (sau genetic) prezentat vreodată.
La fel cum circuitele electronice sunt făcute din rezistenţe, condensatori şi tranzistori, circuitele biologice pot fi făcute din gene şi proteine regulatoare. Visul inginerului Tae Seok Moon este de a proiecta componente genetice modulare ce pot fi folosite pentru a construi controlere logice în interiorul microbilor, care îi vor programa să producă combustibil, să neutralizeze poluanţi sau să omoare bacteriile infecţioase sau celulele canceroase.
Doctorul Moon, acum profesor asistent de inginerie de mediu, energetică şi chimică la şcoala de Inginerie şi Ştiinţe aplicate de la Universitatea Washington din St. Louis, este prim-autor al unui articol care descrie proiectul în numărul din 7 octombrie al revistei Nature. Voigt este autor senior.
Micile circuite construite din aceste porţi genetice şi altele ca ele ar putea fi într-o zi componentele unor celule special proiectate care vor monitoriza şi reacţiona programat în mediile lor de viaţă.
Numărul lucrurilor pe care acestea le-ar putea face este limitat doar de evoluţie şi ingeniozitatea umană. Bacteria-îngrijitor ar putea neutraliza poluanţi, bacteria inginer-chimist creează biocombustibili, iar bacteriile agenţi miniaturizaţi de control al infecţiilor ar putea acţiona pentru distrugerea agenţilor patogeni.
Cum să creezi o poartă logică ŞI (AND) din gene
Poarta logică se află la baza computerelor moderne, un dispozitiv care face simple comparaţii între biţi, între 1 şi 0, modul în care computerele codifică informaţia. Fiecare poartă logică are multiple intrări şi o ieşire. Ieşirea porţii depinde de intrări şi de operaţiile pe care le execută poarta.
O poartă logică de tip ŞI, spre exemplu, se activează doar dacă toate intrările sunt active. O poartă SAU (OR) se activează dacă oricare dintre intrările ei este activă.
În cazul materialului genetic, genele sunt activate sau dezactivate atunci când un factor de transcripţie se leagă de o regiune de ADN adiacentă genei, regiune denumită promotor.
Pentru a construi o poartă ŞI din gene, Moon a trebui totuşi să găsească o genă a cărei activare este controlată de cel puţin două molecule, nu doar de una. Deci, doar dacă ambele molecule ,1 ŞI 2, sunt prezente, poarta va fi activată şi informaţia genetică va fi transformată într-o proteină.
Un astfel de circuit genetic a fost identificat în Salmonella typhimurium, o bacterie ce cauzează intoxicaţia alimentară. În acest circuit, factorul de transcripţie se poate ataşa promotorului unei gene doar dacă o moleculă, numită însoţitor, este prezentă. Asta înseamnă că circuitul genetic poate sta la baza unei porţi logice ŞI cu dublă intrare.
Circuitul pe care Moon l-a construit în final a fost alcătuit din patru senzori pentru patru molecule diferite care erau legate la trei porţi ŞI cu dublă intrare. Dacă toate cele patru molecule erau prezente, toate porţile ŞI se activau şi ultima producea o proteină martor ce prezintă fluorescenţă roşie, astfel încât starea de operare a circuitului putea fi lesne monitorizată.
În viitor, spune Moon, o bacterie sintetică dotată cu acest circuit genetic ar putea detecta 4 indicatori de cancer diferiţi şi, în prezenţa tuturor celor patru, va elibera un factor de anihilare a tumorii.
Interferenţe şi erori de sincronizare
Sunt, desigur, diferenţe enorme între moleculele care constituie porţile logice biologice şi diodele şi tranzistorii care sunt prezente în cele electronice.
Inginerii care proiectează circuite biologice se îngrijorează mult din cauza interferenţelor. Pentru ca un circuit să funcţioneze corect, moleculele care alcătuiesc o poartă nu se pot lega de moleculele care sunt parte a unei alte porţi.
Aceasta este o problemă mai mare în circuitele biologice decât în cazul celor electronice, deoarece interiorul unei celule este asemenea unei supe în care moleculele se amestecă nestânjenite.
Pentru a se asigura că nu există interferenţe între porţile ŞI, Moon a extras părţi pentru poarta lui din trei tipuri diferite de bacterii: Shigella flexneri şi Pseudomonas aeruginosa, precum şi Salmonella.
Deşi componentele din cele trei surse erau destul de diferite, el le-a făcut şi mai diferite prin supunerea la cicluri de copiere cu probabilitate de eroare şi prin selectarea copiilor care prezentau o susceptibilitate mai mică de a crea interferenţă (dar care erau încă funcţionale).
O altă problemă pe care a întâlnit-o Moon a fost că circuitele biologice, spre deosebire de cele electronice, nu au ceasuri interne care controlează mişcările cadenţate ale biţilor prin porţile logice. Dacă semnalul avansează prin straturile de porţi la viteze diferite, ieşirea întregului circuit ar putea fi greşită, o problemă numită eroare de sincronizare.
Experimentele proiectate pentru a detecta asemenea erori în circuitele sintetice au arătat că ele nu se produc, probabil deoarece moleculele însoţitor corespunzătoare unui nivel de porţi logice se degradează înainte de generarea factorilor de transcripţie pentru următorul nivel, ceea ce generează un ritm în cadrul circuitului biologic.
Preluarea funcţiilor controller-ului unei bacterii
"Noi nu încercăm să construim un computer din porţi logice biologice", spune Moon. "Nu poţi construi un computer în acest fel. În schimb, încercăm să facem controllere (circuite de control - n.tr.) care să ne permită accesul la toate operaţiile pe care organismele biologice le fac în mod obişnuit, acces obţinut prin procedee simple, programabile."
"Eu văd celula ca pe un sistem care se constituie dintr-un senzor, un controller (circuitul logic) şi un actuator", spune el. "Această lucrare acoperă partea de generare a controller-ului, dar în cele din urmă ieşirea controller-ului va alimenta un actuator, ceva ce va executa sarcini în împrejurimile celulei."
O bacterie sintetică proiectată de un prieten de-al lui Moon de la Nanyang Technological University din Singapore, detectează molecule semnalizatoare eliberate de agentul patogen Pseudomonas aeruginosa. Când moleculele ajung la o concentraţie suficient de ridicată, bacteria generează o toxină şi o proteină care îi cauzează explozia, eliberând toxina şi omorând patogenul P. aeruginosa din vecinătate.
"Siliciul nu poate face asta", spune Moon.
Traducere realizată de Răzvan Gavrilă după A complex logic circuit made from bacterial genes, cu acordul Phys.org.
