Logiska grindar byggs av jäst

Med hjälp av fyra sorters jästceller kan en svensk-spansk forskargrupp implementera över 200 logiska operationer. En artikel i senaste numret av tidskriften Nature berättar om projektet, som leds av svenska forskare. Elektroniktidningen förklarar hur tekniken fungerar.

Jästcellerna fungerar som vilka andra jästceller som helst, de lever sina liv, äter och växer. Men som en sidoeffekt utför de samtidigt logiska operationer. Deras gener har modifierats. Men i övrigt används bara naturens egna mekanismer för att implementera beräkningarna.

Forskningsområdet kallas syntetisk biologi och forskargruppen är inte den första att lura organismer att bete sig som datorsystem. Andra forskare har tidigare byggt celler som implementerar oscillatorer, strömbrytare, sensorer, växlar, filter och kommunikationslänkar.

Forskargruppens bidrag är att man hittat enklare sätt att implementera logiska operationer med hjälp av ett fåtal celltyper som dessutom är sammanlänkade till logiska grindar på ett enkelt och finurligt sätt (mer detaljer följer nedan).

Samtliga tvåställiga funktioner (AND, NOR, XOR, och så vidare) kan enligt forskarnas experiment implementeras med jästceller av upp till fyra typer. De ettställiga funktionerna negation och identitet kan byggas av en enda cell.

Det är ännu oklart vad ”biologisk logik” av det här slaget ska kunna ha för tillämpningar. Beräkningsprestanda ligger inte i närheten av att kunna konkurrera med elektronik. Men en möjlighet är att det kommer att kunna användas i en människokropp för att detektera förändringar i hälsotillstånd, bekämpa sjukdomar eller upptäcka föroreningar.

Andra identifierade möjliga tillämpningar är reglering av förökning, beslutsmekanik i biosensorer, jäsningstimers och bildbehandling. Forskarna undersöker också om det kan finnas tillämpningar för att bekämpa cancerceller, behandla infektioner och för att producera malariamedicin.

Jästcellerna i det svensk-spanska projektet får indata genom att utsättas för olika ämnen, bland annat salt, antibiotika (doxycyklin), socker (galaktos) och könshormoner (östradiol). Utdata läses av genom att cellerna programmeras att tillverka ett självlysande ämne. Närvaron respektive frånvaron av dessa ämnen representerar de logiska värdena SANT och FALSKT.

Den första funktion forskarna implementerade var AND. Den byggs av två celler. Den ena använder salt (eller ”inget salt”) som indata. Den andra östradiol (eller ”ingen östradiol”). Den första cellen reagerar på saltet genom att producera ett feromon. Den andra cellen reagerar på kombinationen av detta feromon och östradiolet genom att producera det självlysande ämnet. Alltså krävs att både östradiol och salt tillsätts för att AND-grinden ska reagera – vilket ju är just den logik en AND-grind ska ha.

Andra jästceller producerar tvärtom feromon vid avsaknaden av sitt ämne. Detta motsvarar logisk negation, NOT.

Feromoner och några andra andra ämnen kallas förbindningsmolekyler (wiring molecules) och används för att binda samman cellerna till en enda konstruktion. Kärnan i forskarnas bidrag är att de visar denna ganska enkla metod för att implementera logiska operationer i flera celler istället för att behöva nöja sig med en enda.

Forskarna implementerar logiska operationer med upp till tre indata genom att kombinera olika sorters jästceller och förbindningsmolekyler. Ofta finns flera olika sätt att bygga samma funktion.

Forskarlaget vid Göteborgs universitet leds av professor Stefan Hohmann. Arbetet är en del av EU-projektet Cellcomput.

I en annan artikel i samma nummer av Nature beskrivs en konkurrerande teknik för att beräkna logiska operationer. Den andra forskargruppen, som huserar på på UCSF (Kalifornienuniversitetet i San Francisco) använder inte jästceller som grindar, utan bakterier.

UCSF-gänget har å ena sidan bara byggt en NOR-grind. Å andra sidan kan man med hjälp av NOR-grindar pussla samman alla andra logiska tvåställiga funktioner, vilket forskarna gjort genom att rent fysiskt placera ut odlingar intill varandra.

In- och utdata kommuniceras mellan bakterierna via en naturlig mekanism kallad kvorumreglering – kemiska signaler som aktiverar tillverkningen av gener. Den logiska operationen resulterar i att en av två olika sorters bakterier tillverkas. Dessa bakterier kvorumregleras i sin tur och tillverkar sedan nya bakterier – och så ser alltså livets lilla kretslopp ut för dessa bakterier.