従来の電子機器では、トランジスタは回路に電流が流れるかどうかを制御するスイッチとして機能します。 MIT システムでは、操作された細菌細胞が小さなシグナル伝達分子の動きを調節することで同様の役割を果たします。これらの分子は、生物学的サイクルの他の構成要素に情報を伝達します。

研究者らは、2 種類の細菌トランジスタと、それらの間の中継器として機能する 3 つの追加の細菌株を作成しました。これら 5 つの系統を組み合わせると、ほぼすべての回路を構築するために配置できるモジュール式コンポーネント セットが提供されます。新しい研究で、チームは2つまたは3つの入力を追加し、1つの入力を選択した宛先に送ることができる回路を実証しました。

「私たちは一般的に使用されるコンピューター アーキテクチャの基本コンポーネントをいくつか構築しましたが、これら 5 つの系統を使用してあらゆる操作を構築できます」と、MIT 博士研究員であり、新しい研究の主著者である Hamid Dosthosein PhD ’25 は述べています。

潜在的な用途の 1 つは、これらの生きた回路を植物の葉や根に配置することです。そこでは細菌が環境条件に関する情報を処理し、植物が干ばつや害虫の攻撃などのストレスを検出して対応できるように支援します。

マサチューセッツ工科大学生物工学部長のクリストファー・フォークト氏は、この論文の上級著者であり、最近、 自然界のケミカルバイオロジー。元MITポスドクのハオロン・チェン氏もこの論文の著者である。

細菌細胞をトランジスタに変える

合成生物学の回路は通常、相互作用するタンパク質や転写因子を生成するように細胞を操作することによって作られます。これらのシステムは、特定の分子を検出して特定の応答を生成するなどのタスクを実行するようにプログラムできます。

このような回路はさまざまな論理機能を実行できますが、その複雑さには制限があります。研究者は通常、シグナルが互いに干渉しないように、個別の操作に特定の転写因子を必要とします。適切な転写因子の数は限られているため、単一細胞内で回路をどれだけ複雑にできるかには実際的な上限があります。細胞にあまりにも多くの回路を詰め込みすぎると、タンパク質生産機構に過負荷がかかる可能性があります。

MIT チームは別の方法でこの問題に取り組みました。単一のセル内に完全な回路を配置する代わりに、さまざまな構造に接続できるトランジスタコンポーネントのように見える個別のセルを作成しました。

これらの成分として、研究者らは、植物などの表面で通常増殖する細菌であるパントエア・アグロメランスを使用した。彼らは、OC 6 と呼ばれる分子に応答する細菌のトランジスタの 2 つのバージョンを開発しました。1 つのタイプは分子に遭遇すると活性化され、もう 1 つは不活性化されます。

各トランジスタは、第 2 の標的分子 OC 12 も感知します。 OC 12 の存在とトランジスタの活性化に応じて、細菌細胞は OHC 14 と呼ばれる出力分子を生成します。

生きた細胞を組み合わせる

その後、グループは中継役として機能するパントエア・アグロメランスの3株を開発した。これらのセルは、OHC 14 信号を、次のトランジスタの入力として機能する別の出力に変換します。このようにして、個々の細菌コンポーネントを電子基板の一部のように接続することができます。

たとえば、研究者らは、OC 12 を定義する 2 つのトランジスタを使用して双方向スイッチを構築しました。特定のスイッチの入力に応じて、システムはこの情報をさまざまなリレー回路を介して送信してから、さらなる処理のために追加のトランジスタに渡します。

回路を組み立てるために、研究者らは増殖培地として機能する寒天を含むプレート上に細菌のコロニーを印刷した。各コロニーは最も近いコロニーから約 5 ミリメートルの距離にありました。この間隔により、化学シグナルが配列内の次のコロニーにのみ到達することが保証され、情報が回路内を一方向に移動できるようになります。

複雑な生物学的スキームの作成

研究者らは、同じ細菌トランジスタが、回路内のどこに配置されているかに応じて、複数の論理演算を実行できることを示しました。これらには、「マルチウェイ」ゲート、「オア」ゲート、および「インプレイ」ゲートが含まれます。

同グループは、複数のトランジスタを接続することで、より複雑なシステムも作成しました。この回路は、2 つの信号を追加したり、複数の信号を一度に処理したり、単一の受信信号を受け取り、別の制御信号に基づいていくつかの可能な方向の 1 つにそれをルーティングするデマルチプレクサとして機能したりできます。

この研究で示された最大の回路には、相互接続された 24 個の細菌コロニーが含まれており、2 つの入力を追加するように設計されています。

「この研究は、個々の細胞内の単純な機能を接続することで、より複雑な機能を実現できることを示しています」とフォークト氏は言う。 「計算上、iPhone でできることのうち、これらの回路でできないことは何もありません。」

ただし、速度には大きな差があります。細菌の回路が実行する各計算には約 8 時間かかり、電子コンピューターよりもはるかに長くなります。研究者らは、生物学的応用の場合、この速度は依然として実用的な速度である可能性があると述べている。

「私たちはコンピューターを置き換えようとしているのではなく、計算制御を生物学に導入しようとしているのです。植物の根にバクテリアがいる場合、または植物自体が計算を行っている場合、単純な計算を一晩かけて行うほうが、成長期よりもはるかに高速です」とフォークト氏は言う。

農業用ライブコンピュータ

考えられる用途の 1 つは農業です。これらの回路が最終的に植物の根に埋め込まれれば、さまざまな形のストレスを検出するようにプログラムされる可能性がある。システムが特定の信号を認識すると、殺菌剤の生成などの適切な応答を引き起こすことができます。

この研究は、米国国防高等研究計画局と米国情報高等研究計画局から一部資金提供を受けた。