В электрических цепях транзисторы выполняют функцию переключателей, которые могут включать и выключать ток. В биологических цепях, созданных исследователями, бактериальные переключатели контролируют поток малых молекул, которые посылают сигналы на последующие компоненты цепи.

Исследователи из Массачусетского технологического института создали бактерии, которые могут функционировать как транзисторы, что позволяет команде создавать живые «печатные платы», которые можно напечатать на питательной среде в чашке Петри.

Исследователи продемонстрировали транзистор, который может выполнять несколько типов логических операций в зависимости от своего расположения в схеме, в том числе операции «множество входов», «или» и «импликант». Они также объединяли транзисторы для создания более сложных схем, которые могли суммировать два сигнала, обрабатывать несколько сигналов одновременно или работать как демультиплексор — схема, которая принимает один входящий сигнал и отправляет его по одному из нескольких возможных направлений в зависимости от управляющего сигнала.

При разработке схем синтетической биологии исследователи обычно модифицируют клетки таким образом, чтобы они экспрессировали белки и факторы транскрипции, которые взаимодействуют друг с другом для выполнения какой-либо задачи, например распознавания молекулы-мишени, что затем приводит к выработке определенного продукта.

Эти простые схемы могут выполнять различные логические функции, но для предотвращения перекрестных помех внутри схемы необходимо использовать уникальные факторы транскрипции. Для таких схем можно использовать ограниченное количество факторов транскрипции, что ограничивает общую сложность, которую можно реализовать в одной клетке. Кроме того, если поместить в одну клетку слишком много схем, это может привести к перегрузке клеточных механизмов синтеза белка.

Исследователи применили другой подход: вместо того чтобы встраивать всю схему в одну клетку, они создали клетки, которые могут работать как транзисторы. Затем эти транзисторы можно комбинировать различными способами для создания разнообразных схем.

Для создания транзисторов исследователи выбрали бактерию Pantoea agglomerans, которая обычно растет на различных поверхностях, в том числе на растениях. Используя эти клетки, они создали два типа транзисторов, которые можно включать и выключать с помощью молекулы OC-6. Один из транзисторов включается при подаче сигнала, а другой — выключается. Каждый транзистор также определяет наличие целевой молекулы, в данном случае OC-12. В зависимости от наличия этой молекулы и активности переключателя транзисторы производят выходную молекулу, известную как OHC-14.

Исследователи также использовали три штамма Pantoea agglomerans для создания реле, которые преобразуют сигнал OHC-14 в выходной сигнал, который можно подать на другой транзистор. С помощью этих штаммов-реле исследователи могут «соединять» транзисторы между собой, как электронную плату.

Например, они могли бы создать двунаправленный переключатель с двумя транзисторами, которые распознают OC-12, а затем отправлять эту информацию на разные штаммы-ретрансляторы в зависимости от входного сигнала переключателя, который в конечном итоге поступает на другие транзисторы, выполняющие дальнейшую обработку сигнала.

Исследователи создали свои схемы, напечатав колонии бактерий на чашках Петри с агаром — питательной средой. Каждая колония напечатана на расстоянии около 5 миллиметров от ближайшей. Это позволяет сигналам доходить только до ближайшей колонии, которая затем передает их следующей, так что информация течет только в одном направлении.

«Мы создали несколько базовых компонентов компьютерной архитектуры, которые широко используются, но на основе этих пяти штаммов можно построить любую операцию», — говорит Хамид Дустоссейни, выпускник 2025 года, постдокторант Массачусетского технологического института и ведущий автор нового исследования.

Самая большая из этих схем, которая складывает два входных значения, состоит из 24 соединенных между собой бактериальных колоний.

Используя этот подход, исследователи надеются разработать схемы, которые однажды можно будет наносить на листья или корни растений, чтобы они могли распознавать условия окружающей среды, такие как засуха или нападение вредителей, и реагировать на них.