r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a

Dzięki pomysłowi z MIT biologiczne obwody będą równie złożone co obwody elektroniczne

Strona główna AktualnościSPRZĘT

Łączenie obwodów elektronicznych i biologicznych stanie się teraz znacznie łatwiejsze. Te ostatnie były znacznie bardziej nieprzewidywalne niż elektronika, szczególnie w miarę wzrostu ich złożoności. Dzięki opracowanemu przez badaczy z MIT sterownikowi ładunku, problem nieprzewidywalności biologicznych obwodów został w praktyce rozwiązany.

Zajmujący się syntetyczną biologią uczeni od lat dążą do odtworzenia w swoich konstrukcjach najważniejszej cechy współczesnej elektroniki, czyli modularności. Jak jednak piszą w opublikowanym w najnowszym „Nature” artykule A load driver device for engineering modularity in biological networks jego autorzy: Deepak Mishra, Phillip Rivera, Allen Lin, Domitilla Del Vecchio i Ron Weiss, zachowanie takich modułów – odpowiedników oscylatorów czy przełączników, staje się tym bardziej nieprzewidywalne, im bardziej złożony obwód jest projektowany. Dodawanie kolejnych modułów genowych do miejsc wiązania białek regulatorowych generuje obciążenia dla już włączonych modułów, w niekorzystny sposób wpływających na działanie całego obwodu.

Efekt ten, określany mianem retroaktywności, został rozpoznany zarówno w sztucznych jak i naturalnych systemach biologicznych. Natura niekiedy znalazła sposób na jego wykorzystanie (badacze wspominają np. korzystającej z retroaktywności przestrzennej regulacji ekspresji genów u embrionów muszek owocówek), ale takie naturalne topologie sieci zupełnie nie pasują do naszego podejścia do projektowania. W efekcie tworzenie dużych sieci transkrypcji białkowych było dotąd niemożliwe – nie wiedzieliśmy, jak przezwyciężyć uniemożliwiające modularyzację zakłócenia.

r   e   k   l   a   m   a

Nikogo taki stan nie powinien dziwić. Elektronicy mają łatwo. Gdy podłączy się jeden komponent do następnego, kierunek przepływu energii (i informacji) jest jednoznaczny. W „mokrych” biologicznych obwodach, zanurzonych w złożonej biochemicznie plazmie komórkowej, przepływ informacji jest sterowany interakcjami, których nie da się łatwo odizolować tylko do zamierzonych komponentów. Powstające w ten sposób chaotyczne efekty sprawiały, że zachowanie układu było nieprzewidywalne.

Przedstawione przez badaczy z MIT rozwiązanie wykorzystuje biologiczny odpowiednik regulatora obciążeń (load driver), wykorzystujący fosfotransferazy (enzymy przenoszące grupy fosforowe na różne związki) by tworzyć coś w rodzaju pomostu pomiędzy procesami o różnej szybkości zachodzenia, uniemożliwiającego cofnięcie sygnału i zakłócenie działania obwodu. Wolniej działające obwody mogą dzięki niemu poprawnie odpowiadać na sygnały o zmiennej długości trwania, nawet pod dużym obciążeniem.

Pozbawiony takiego regulatora obciążeń testowy obwód wykazywał opóźnienia w czasie odpowiedzi na poziomie 76% i 25% zmniejszenie przepustowości całego systemu. Dodanie regulatora, jak opisują badacze, przywróciło całą planowaną wydajność, czyniąc z niego fundamentalny komponent, niezbędny do budowania złożonych obwodów biologicznych.

Choć zanim rozwiązanie to zostanie wprowadzone na skalę przemysłową minie jeszcze trochę czasu, to uczeni już teraz mówią o wykorzystaniu go w obwodach, które stale mierzyłyby stężenie glukozy w krwi chorych na cukrzycę, automatycznie, w przewidywalny sposób aktywując wydzielanie insuliny. Przewidywalność obwodów biologicznych ułatwiłaby także ich łączenie z elementami elektronicznymi, pozwalając na tworzenie hybrydowych czipów, pozwalających na regulowanie procesów biochemicznych na bardzo zaawansowanym poziomie. W dalszej przyszłości, takie złożone biologiczne obwody mogłyby stanowić część interfejsów mózg-maszyna, otwierając drogę do pełnej cyborgizacji organizmów żywych, czy też hodowania od postaw białkowych mózgów w sztucznych środowiskach.

Z naszej perspektywy szczególnie interesujące okazuje się to, jak wysokopoziomowe rozstrzygnięcia cybernetyki, jako nauki o sterowaniu i kontroli, znajdują zastosowanie na równi w elektronice, co i w syntetycznej biologii. Dziesięciolecia doświadczeń elektroników mogą w przyszłości znaleźć zastosowania w „mokrym” materiale, a kto wie, może umożliwią budowę syntetycznych organizmów, znacznie bardziej zaawansowanych niż to, co zdołała osiągnąć natura na drodze ewolucji. Oczywiście nie będzie to łatwe, nie tylko z powodów technicznych – już dziś ugrupowania „Zielonych” z całego świata wzywają do ustanowienia nadzoru nad pracami z zakresu syntetycznej biologii, a w szczególności zakazania wszelkich prac nad wykorzystaniem w tej dziedzinie genów człowieka czy jego flory fizjologicznej (mikrobiomu).

Nawet jeśli jednak doszłoby do zakazu takich badań w krajach Zachodu, trzeba pamiętać, że świat się nie kończy na Stanach Zjednoczonych i Unii Europejskiej. Inne potęgi, szczególnie Chiny, są znacznie bardziej przychylne badaniom w dziedzinie nauk biologicznych – w konfucjańskiej tradycji intelektualnej pojęcie „naturalnego porządku” czy „prawa naturalnego” nie bardzo ma sens. Niewykluczone więc, że dokumentacja techniczna pierwszych bioprocesorów będzie napisana właśnie po chińsku...

© dobreprogramy
r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a

Komentarze

r   e   k   l   a   m   a
r   e   k   l   a   m   a
Czy wiesz, że używamy cookies (ciasteczek)? Dowiedz się więcej o celu ich używania i zmianach ustawień.
Korzystając ze strony i asystenta pobierania wyrażasz zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.