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

Łączenie obwodów elektronicznych i biologicznych stanie sięteraz znacznie łatwiejsze. Te ostatnie były znacznie bardziejnieprzewidywalne niż elektronika, szczególnie w miarę wzrostu ichzłożoności. Dzięki opracowanemu przez badaczy z MIT sterownikowiładunku, problem nieprzewidywalności biologicznych obwodów zostałw praktyce rozwiązany.

Zajmujący się syntetyczną biologią uczeni od lat dążą doodtworzenia w swoich konstrukcjach najważniejszej cechy współczesnejelektroniki, czyli modularności. Jak jednak piszą w opublikowanym wnajnowszym „Nature” artykule*A load driver device for engineering modularity in biologicalnetworks *jego autorzy: DeepakMishra, Phillip Rivera, Allen Lin, Domitilla Del Vecchio i Ron Weiss,zachowanie takich modułów – odpowiedników oscylatorówczy przełączników, staje się tym bardziej nieprzewidywalne, imbardziej złożony obwód jest projektowany. Dodawanie kolejnychmodułów genowych do miejsc wiązania białek regulatorowychgeneruje obciążenia dla już włączonych modułów, w niekorzystnysposób wpływających na działanie całego obwodu.

Efekt ten, określany mianem retroaktywności,został rozpoznany zarówno w sztucznych jak i naturalnychsystemach biologicznych. Natura niekiedy znalazła sposób na jegowykorzystanie (badacze wspominają np. korzystającej zretroaktywności przestrzennej regulacji ekspresji genów u embrionówmuszek owocówek), ale takie naturalne topologie sieci zupełnie niepasują do naszego podejścia do projektowania. W efekcie tworzeniedużych sieci transkrypcji białkowych było dotąd niemożliwe –nie wiedzieliśmy, jak przezwyciężyć uniemożliwiającemodularyzację zakłócenia.

Nikogo taki stan nie powinien dziwić. Elektronicy mają łatwo.Gdy podłączy się jeden komponent do następnego, kierunekprzepływu energii (i informacji) jest jednoznaczny. W „mokrych”biologicznych obwodach, zanurzonych w złożonej biochemicznieplazmie komórkowej, przepływ informacji jest sterowanyinterakcjami, których nie da się łatwo odizolować tylko dozamierzonych komponentów. Powstające w ten sposób chaotyczneefekty sprawiały, że zachowanie układu było nieprzewidywalne.

Przedstawione przez badaczy z MIT rozwiązanie wykorzystujebiologiczny odpowiednik regulatora obciążeń (load driver),wykorzystujący fosfotransferazy (enzymy przenoszące grupy fosforowena różne związki) by tworzyć coś w rodzaju pomostu pomiędzyprocesami o różnej szybkości zachodzenia, uniemożliwiającegocofnięcie sygnału i zakłócenie działania obwodu. Wolniejdziałające obwody mogą dzięki niemu poprawnie odpowiadać nasygnały o zmiennej długości trwania, nawet pod dużym obciążeniem.

Pozbawiony takiego regulatora obciążeń testowy obwód wykazywałopóźnienia w czasie odpowiedzi na poziomie 76% i 25% zmniejszenieprzepustowości całego systemu. Dodanie regulatora, jak opisująbadacze, przywróciło całą planowaną wydajność, czyniąc zniego fundamentalny komponent, niezbędny do budowania złożonychobwodów biologicznych.

Choć zanim rozwiązanie to zostanie wprowadzone na skalęprzemysłową minie jeszcze trochę czasu, to uczeni już teraz mówiąo wykorzystaniu go w obwodach, które stale mierzyłyby stężenieglukozy w krwi chorych na cukrzycę, automatycznie, w przewidywalnysposób aktywując wydzielanie insuliny. Przewidywalność obwodówbiologicznych ułatwiłaby także ich łączenie z elementamielektronicznymi, pozwalając na tworzenie hybrydowych czipów,pozwalających na regulowanie procesów biochemicznych na bardzozaawansowanym poziomie. W dalszej przyszłości, takie złożonebiologiczne obwody mogłyby stanowić część interfejsówmózg-maszyna, otwierając drogę do pełnej cyborgizacji organizmówżywych, czy też hodowaniaod postaw białkowych mózgów w sztucznych środowiskach.

Z naszej perspektywy szczególnie interesujące okazuje się to,jak wysokopoziomowe rozstrzygnięcia cybernetyki, jako nauki osterowaniu i kontroli, znajdują zastosowanie na równi welektronice, co i w syntetycznej biologii. Dziesięcioleciadoświadczeń elektroników mogą w przyszłości znaleźćzastosowania w „mokrym” materiale, a kto wie, może umożliwiąbudowę syntetycznych organizmów, znacznie bardziej zaawansowanychniż 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 wzywajądo ustanowienia nadzoru nad pracami z zakresu syntetycznej biologii,a w szczególności zakazania wszelkich prac nad wykorzystaniem w tejdziedzinie genów człowieka czy jego flory fizjologicznej(mikrobiomu).

Nawet jeśli jednak doszłoby do zakazu takich badań w krajachZachodu, trzeba pamiętać, że świat się nie kończy na StanachZjednoczonych i Unii Europejskiej. Inne potęgi, szczególnie Chiny,są znacznie bardziej przychylne badaniom w dziedzinie naukbiologicznych – w konfucjańskiej tradycji intelektualnej pojęcie„naturalnego porządku” czy „prawa naturalnego” nie bardzo masens. Niewykluczone więc, że dokumentacja techniczna pierwszychbioprocesorów będzie napisana właśnie po chińsku...