Technion und MIT-Wissenschaftler brachten Konzepte aus Elektrotechnik und Bioengineering-Tools zusammen, um Zellen herzustellen, die für die Berechnung anspruchsvoller Funktionen entwickelt wurden – eine Art „Biocomputer“.
Doktoranden und Forscher des Technion-Israel Institute of Technology Professor Ramez Daniel’s Laboratory for Synthetic Biology & Bioelectronics arbeiteten mit Professor Ron Weiss vom Massachusetts Institute of Technology zusammen, um genetische „Geräte“ zu entwickeln, die zur Durchführung von Berechnungen wie künstlichen neuronalen Schaltkreisen entwickelt wurden. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in veröffentlicht Naturkommunikation.
Das Erbgut wurde in Form eines Plasmids in die Bakterienzelle eingebracht: ein relativ kurzes DNA-Molekül, das vom „natürlichen“ Genom der Bakterien getrennt bleibt. Plasmide kommen auch in der Natur vor und erfüllen verschiedene Funktionen. Die Forschungsgruppe entwarf die genetische Sequenz des Plasmids so, dass sie als einfacher Computer oder genauer gesagt als einfaches künstliches neuronales Netzwerk funktioniert. Dies geschah mithilfe mehrerer Gene auf dem Plasmid, die ihre gegenseitige Aktivierung und Deaktivierung gemäß äußeren Stimuli regulieren.
Was bedeutet es, dass eine Zelle ein Schaltkreis ist? Wie kann ein Computer biologisch sein?
Auf seiner grundlegendsten Ebene besteht ein Computer aus Nullen und Einsen, aus Schaltern. An diesen Schaltern werden Operationen ausgeführt: Sie werden summiert, der maximale oder minimale Wert zwischen ihnen ausgewählt usw. Fortgeschrittenere Operationen basieren auf den grundlegenden Operationen, die es einem Computer ermöglichen, Schach zu spielen oder eine Rakete zum Mond zu fliegen.
Bei den uns bekannten elektronischen Rechnern sind die 0/1-Schalter als Transistoren ausgeführt. Aber unsere Zellen sind auch Computer anderer Art. Dort kann das Vorhandensein oder Fehlen eines Moleküls als Schalter wirken. Gene aktivieren, triggern oder unterdrücken andere Gene und bilden, modifizieren oder entfernen Moleküle. Die Synthetische Biologie zielt (neben anderen Zielen) darauf ab, diese Prozesse nutzbar zu machen, die Schalter zu synthetisieren und die Gene zu programmieren, die eine Bakterienzelle dazu bringen würden, komplexe Aufgaben auszuführen.
Zellen sind von Natur aus ausgestattet, um Chemikalien zu erkennen und organische Moleküle zu produzieren. Die Möglichkeit, diese Prozesse innerhalb der Zelle zu „computerisieren“, könnte erhebliche Auswirkungen auf die Bioherstellung haben und mehrere medizinische Anwendungen haben.
Die Doktoranden (jetzt Ärzte) Luna Rizik und Loai Danial, zusammen mit Dr. Mouna Habib, unter der Leitung von Prof. Ramez Daniel von der Fakultät für Biomedizinische Technik am Technion und in Zusammenarbeit mit Prof. Ron Weiss von der Synthetic Biology Center, MIT, ließen sich von der Funktionsweise künstlicher neuronaler Netze inspirieren.
Sie schufen synthetische Rechenschaltkreise, indem sie vorhandene genetische „Teile“ oder konstruierte Gene auf neuartige Weise kombinierten, und implementierten Konzepte der neuromorphen Elektronik in Bakterienzellen. Das Ergebnis war die Schaffung von Bakterienzellen, die mithilfe von Algorithmen der künstlichen Intelligenz trainiert werden können.
Die Gruppe war in der Lage, flexible Bakterienzellen zu erstellen, die dynamisch umprogrammiert werden können, um zwischen der Meldung zu wechseln, ob mindestens eine oder zwei der Testchemikalien vorhanden sind (d. h. die Zellen konnten zwischen der Ausführung der ODER- und der UND-Funktion wechseln). ). Zellen, die ihre Programmierung dynamisch ändern können, sind in der Lage, verschiedene Operationen unter verschiedenen Bedingungen auszuführen. (In der Tat tun unsere Zellen dies auf natürliche Weise.)
Die Möglichkeit, diesen Prozess zu erstellen und zu steuern, ebnet den Weg für eine komplexere Programmierung, wodurch die konstruierten Zellen für fortgeschrittenere Aufgaben geeignet sind. Algorithmen der künstlichen Intelligenz ermöglichten es den Wissenschaftlern, die erforderlichen genetischen Modifikationen an den Bakterienzellen mit deutlich reduziertem Zeit- und Kostenaufwand herzustellen.
Darüber hinaus nutzte die Gruppe eine weitere natürliche Eigenschaft lebender Zellen: Sie sind in der Lage, auf Gradienten zu reagieren. Mithilfe von Algorithmen der künstlichen Intelligenz gelang es der Gruppe, diese natürliche Fähigkeit zu nutzen, um einen Analog-Digital-Wandler herzustellen – eine Zelle, die in der Lage ist, zu melden, ob die Konzentration eines bestimmten Moleküls „niedrig“, „mittel“ oder „hoch“ ist. Ein derartiger Sensor könnte verwendet werden, um die richtige Dosierung von Medikamenten zu verabreichen, einschließlich Krebsimmuntherapien und Diabetes-Medikamenten.
Mehr Informationen:
Luna Rizik et al., Synthetisches neuromorphes Computing in lebenden Zellen, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-33288-8