Ученые превратили бактериальные клетки в живые искусственные нейронные сети
Живая клетка предназначена природой для эффективного хранения и обработки информации. Ее только надо немного научить, и она все сделает как надо
Ученые Техниона, Хайфа и Массачусетского технологического института работают над созданием генетических «устройств», предназначенных для выполнения вычислений, таких как искусственные нейронные сети.
В реализованном «устройстве» генетический материал был вставлен в бактериальную клетку в виде плазмиды: относительно короткой кольцевой молекулы ДНК, которая остается отдельной от «естественного» генома бактерии. Плазмиды существуют в природе и выполняют различные функции, в том числе переноса генетического материала.
Исследовательская группа разработала генетическую последовательность плазмиды для работы в качестве простой искусственной нейронной сети. Это было сделано с помощью нескольких генов на плазмиде, регулирующих активацию и деактивацию друг друга в соответствии с внешними стимулами.
Что такое биологический компьютер
На самом базовом уровне компьютер состоит из переключателей между 0 и 1. Эти переключатели задают переменные с двумя значениями. Над ними выполняются операции: суммирование, выбор максимального или минимального значения между ними и т. д. Более сложные операции опираются на базовые, позволяя компьютеру играть в шахматы или летать на ракете на Луну.
В электронных компьютерах переключатели 0/1 имеют форму транзисторов. Но наши клетки — это тоже компьютеры, хотя и другого рода. Там присутствие или отсутствие молекулы может действовать как переключатель. Гены активируют, запускают или подавляют другие гены, формируя, модифицируя или удаляя молекулы. Синтетическая биология стремится (среди прочего) использовать эти процессы, синтезировать переключатели и программировать гены, которые заставят бактериальную клетку выполнять сложные задачи.
Клетки естественным образом приспособлены для восприятия химических веществ и производства органических молекул. Возможность «компьютеризировать» эти процессы внутри клетки может иметь серьезные последствия для биопроизводства и иметь множество медицинских применений.
Ученые создали синтетические вычислительные схемы, комбинируя существующие генетические «части» или сконструированные заново гены, и внедрили концепции нейроморфной электроники в бактериальные клетки. Результатом стало создание бактериальных клеток, которые можно обучать с помощью алгоритмов искусственного интеллекта.
Ученые использовали еще одно естественное свойство живых клеток: они способны реагировать на градиенты. Используя алгоритмы искусственного интеллекта, группе удалось использовать эту естественную способность для создания аналого-цифрового преобразователя — ячейки, способной сообщать, является ли концентрация конкретной молекулы в растворе «низкой», «средней» или «высокой». Такой датчик можно использовать для доставки правильной дозы лекарств, включая иммунотерапию рака и лекарства от диабета.