مدارهای زنده ام آی تی؛ وقتی باکتری ترانزیستور می شود

یک برد مدار را تصور کنید که رشد می‌کند. کلونی‌های ریز جای تراشه‌ها را می‌گیرند و زمزمه‌های شیمیایی به‌جای الکترون‌ها اطلاعات را منتقل می‌کنند. شبیه داستان‌های علمی‌تخیلی به نظر می‌رسد، اما پژوهشگران ام‌آی‌تی دقیقا چنین چیزی ساخته‌اند: مدار زنده و چاپ‌شده‌ای که از باکتری‌های مهندسی‌شده تشکیل شده است.

به‌جای آنکه یک شبکه منطقی کامل درون یک سلول جا داده شود، این تیم میکروب‌های جداگانه را طوری بازطراحی کرده است که مانند ترانزیستور و رله عمل کنند. دو سویه رفتاری شبیه ترانزیستورهای کلیدگونه دارند و سه سویه دیگر نقش مبدل سیگنال را ایفا می‌کنند. با ترکیب آن‌ها، یک جعبه‌ابزار انعطاف‌پذیر به دست می‌آید که می‌تواند سیگنال‌ها را روی یک پتری‌دیش مسیریابی و پردازش کند.

محور این پژوهش باکتری پانتوئا آگلومرانس است؛ باکتری سطح‌زیستی که اغلب روی گیاهان یافت می‌شود. پژوهشگران دو گونه ترانزیستوری را برنامه‌ریزی کردند که به مولکول ورودی‌ای به نام OC-6 پاسخ می‌دهند؛ یکی در حضور OC-6 روشن می‌شود و دیگری خاموش می‌شود. هر دو نوع، مولکول دومی به نام OC-12 را نیز حس می‌کنند و فقط در شرایط مشخص، مولکول پیام‌رسان پایین‌دستی به نام OHC-14 تولید می‌کنند. سپس سویه‌های رله‌ای، OHC-14 را به خروجی‌های تازه تبدیل می‌کنند و پیام را مانند سیم‌های روی یک برد به جلو می‌فرستند.

چیدمان فیزیکی اهمیت زیادی دارد. کلونی‌ها روی آگار، در فاصله حدود پنج میلی‌متری از هم چاپ شدند تا هر سیگنال شیمیایی فقط به نزدیک‌ترین همسایه برسد. این انتشار محدود، جریان کنترل‌شده و مرحله‌به‌مرحله اطلاعات را ایجاد می‌کند و در عمل اجزا را در یک جهت به هم سیم‌کشی می‌کند. پژوهشگران با تکیه بر همین ویژگی و با چیدن کلونی‌ها در الگوهای مختلف، کلیدهای دوسویه، دی‌مالتی‌پلکسرها، جمع‌کننده‌ها و دیگر آرایش‌های منطقی را ساختند.

پژوهشگران مدارهای خود را با چاپ کلونی‌های باکتری روی صفحه‌هایی حاوی آگار، که یک محیط رشد است، ساختند. این تصویر متحرک، رشد باکتری‌ها را در گذر زمان طی ۷ روز نشان می‌دهد. 

یک ترانزیستور بسته به جایگاهش در شبکه می‌تواند چند نقش منطقی متفاوت بپذیرد: گیت‌های چندورودی، گیت‌های یا، حتی عملیات استلزام منطقی. این گروه مدارهایی ساخت که دو ورودی را با هم جمع می‌کنند و همچنین یک دی‌مالتی‌پلکسر طراحی کرد که یک سیگنال واحد را به خروجی‌های منتخب هدایت می‌کند. بزرگ‌ترین نمایش این فناوری، اتصال ۲۴ کلونی برای انجام یک عملیات جمع بود؛ شاهدی بر اینکه عملکردهای پیچیده‌تر می‌توانند از قطعات ساده‌تر و تک‌سلولی پدیدار شوند.

این مدارهای زنده کند هستند؛ هر محاسبه به‌جای نانوثانیه، طی چند ساعت انجام می‌شود، اما آن‌ها برای زیست‌شناسی بهینه شده‌اند، نه برای رکوردهای سرعت پردازش.

فارغ از مسئله سرعت، ارزش اصلی در این است که محاسبات درست در جایی قرار می‌گیرند که تصمیم‌های زیستی از قبل در آنجا گرفته می‌شوند. یک برگ یا ریشه گیاه مجهز به مدار باکتریایی می‌تواند شرایط محلی را پایش کند؛ از تنش خشکی و حمله پاتوژن گرفته تا سیگنال‌های تغذیه‌ای، و سپس پاسخ‌های زیستی هدفمند را فعال کند، مانند تولید یک ترکیب محافظ. وقتی مقیاس زمانی مهم برای شما یک فصل رشد است، پردازش شبانه کاملا سریع محسوب می‌شود.

از نظر فنی، این سامانه برای هماهنگ‌سازی رفتار به ورودی‌های مولکولی OC-6 و OC-12 و خروجی OHC-14 متکی است و طراحی ماژولار پنج سویه نشان می‌دهد که چیدمان‌های مداری بسیار متنوعی امکان‌پذیر است. پژوهشگران همچنین این سامانه را به‌صورت بصری نشان دادند؛ با چاپ کلونی‌هایی که طی چند روز رشد می‌کنند و با هم ارتباط می‌گیرند، هماهنگی منطق زنده در عمل آشکار می‌شود.

البته موانعی در پیش است: پایداری در محیط‌های پیچیده، حفظ عملکرد روی سطح واقعی گیاهان، و تضمین ایمنی و مهار زیستی. بااین‌حال، این ایده مفهوم محاسبات را از نو تعریف می‌کند؛ آن را از سیلیکون جدا می‌کند و به درون اکوسیستم‌هایی می‌برد که می‌توانند مستقیما از آن استفاده کنند. اگر بتوان مدارها را روی برگ‌ها چاپ کرد یا در ریشه‌ها جای داد، چه گونه‌های تازه‌ای از هوش کشاورزی ممکن است یک‌شبه جوانه بزنند؟