Élővilág és infokommunikációs technológiák összefonódásának újabb példájaként kaliforniai kutatók kólibaktériumot (Eschericia coli, E. coli), a biotech- és szintetikus biológiai kísérletek „népszerű” állatkáját alakítottak át molekuláris áramkörré.

Miért az E. coli?

Az 1885-ben felfedezett E. coli általában csillós, de lehet csillótlan is, könnyen és jól tenyészthető. Rendszerint melegvérű állatok tápcsatornájának alsó szakaszában él, legtöbb típusa ártalmatlan, de egyesek ételmérgezést okozhatnak. A veszélytelen törzsek az emésztőrendszer normális flórájához tartoznak, K-vitamint termelnek. Jelenlétük megnehezíti a patogének elszaporodását a bélrendszerben.

Sejtjeik pálcika alakúak, 2 mikrométer hosszúak és 0,5 mikrométer átmérőjűek, sokféle táptalajon megélnek. Optimális növekedési hőmérsékletük 37 °C, de egyes laboratóriumi törzsek 49 °C-ig szaporodnak. Az E. coli és hasonló baktériumok képesek DNS-részletek közvetlen sejtkapcsolat útján történő átadására.

Több tulajdonságuk miatt népszerű kísérletalanyok. Leginkább talán azért, mert rendkívül kezdetleges lények, tehát az infokommunikációs technológiák és a mesterségesintelligencia-kutatások jelenállapotában kiváló modellek a biológia, biológiai folyamatok utánzásához.

Élő logikai kapuk

A Kaliforniai Egyetem (San Francisco, UCSF)) kutatói a baktériumok közti kommunikáció megváltoztatásával igyekeznek negált vagy (NOT + OR = NOR) logikai kapukat, és az ezeket megvalósító áramköröket létrehozni. A logikai kapu valamely logikai alapműveletet (és, vagy, nem), vagy ezek kombinációját kivitelező áramkör. Bemeneti és kimeneti értékei logikai értékek (0, vagy 1), amelyeket feszültségszintek képviselnek.

Egy logikai kapu egy, vagy több logikai értéket kap bemenetként, melyeken elvégezve az adott műveletet, egy kimeneti értékkel tér vissza. A kimeneti érték is logikai, tehát közvetlenül továbbítható egy másik kapu bemenetére, így akár egyszerű logikai kapukból felettébb bonyolult rendszerek hozhatók létre. Hétféle kapu létezik (egyik sem produkálhat kettőnél több kimenetet): AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR, XNOR.

A kutatók által kidolgozott kapu irányítja a kémiai jelzés adását és érzékelését. Ez a jelzés teszi lehetővé, hogy a baktériumok közötti – biológiai – kapuk az áramkörök elektromos kapuihoz hasonlóan kapcsolódjanak egymáshoz. A rendszer rendeltetése sejtek miniatűr számítógépekké alakítása, ami egyben azt is jelenti, hogy ugyanezek a sejtek programozhatók, funkcióik komplexebbek lesznek, különböző (mezőgazdasági, gyógyszeripari, vegyi stb.) célokat fognak kiszolgálni.

Sejtprogramozás

„A számítások kapcsán általában az elektromos áramra gondolunk, pedig bármilyen anyag működhet számítógépként” – jelentette ki a kutatás egyik részvevője, a szintetikus biológiával foglalkozó Christopher A. Voigt. – „Az általunk tanulmányozott baktériumtelep tagjai szomszédjaiktól két kémiai jelzést kapnak, és így ugyanolyan logikai kapukat hoztunk létre, mint amiket a szilíciumalapú számításoknál használunk. A sejtprogramozás arra jó, hogy hozzáférjünk mindenhez, amire a biológia megbízható, programozható módon képes.”

Ezeknek a komplex műveleteknek és tervválasztásoknak az automatizálása nagyon pozitív hatással lesz a szintetikus biológia területén folyó alap- és alkalmazott kutatásokra – prognosztizál Voigt.

A kutatók már együtt is működnek a Life Technologies (Carlsbad, Kalifornia) ipari partnerrel: az UCSF laboratóriumaiban fejlesztett genetikus áramköröket és designalgoritmusokat génmérnököknek készülő professzionális szoftvercsomagba integrálják.