Elävien tietokoneiden suunnittelu ja ohjelmointi

Technion – Israel Institute of Technologyn professori Ramez Danielin synteettisen biologian ja bioelektroniikan laboratorio työskenteli yhdessä MIT:n professori Ron Weissin kanssa luodakseen geneettisiä "laitteita", jotka on suunniteltu tekemään laskentaa kuten keinotekoiset neuropiirit.

Geneettinen materiaali liitettiin bakteerisoluun plasmidin muodossa. Se on suhteellisen lyhyt DNA-molekyyli, joka pysyy erillään bakteerin "luonnollisesta" genomista.

Tutkijaryhmä suunnitteli plasmidin geneettisen sekvenssin toimimaan yksinkertaisena keinotekoisena neuroverkkona. Tämä tehtiin useiden plasmidissa olevien geenien avulla, jotka säätelevät toistensa aktivoitumista ja deaktivoitumista ulkoisten ärsykkeiden mukaisesti.

Näin kehitetyt solut ovat tavallaan tietokoneita, joissa molekyylin läsnäolo tai puuttuminen voi toimia kytkimenä. Geenit aktivoivat, herättävät tai tukahduttavat muita geenejä molekyylejä muodostaen, muuntaen tai poistaen.

Solut ovat luonnostaan varustettuja aistimaan kemikaaleja ja tuottamaan orgaanisia molekyylejä. Mahdollisuudella "tietokoneistaa" nämä prosessit solun sisällä voi olla merkittäviä vaikutuksia biotekniikkaan ja lääketieteellisiin sovelluksiin.

Tohtoriopiskelijat ja professorit saivat inspiraationsa keinotekoisten neuroverkkojen toiminnasta. He loivat synteettisiä laskentapiirejä yhdistämällä olemassa olevia geneettisiä "osia" tai muokattuja geenejä uusilla tavoilla ja toteuttivat neuromorfisen elektroniikan konsepteja bakteerisoluihin. Tuloksena syntyi bakteerisoluja, joita voidaan kouluttaa tekoälyalgoritmeilla.

Ryhmä pystyi luomaan bakteerisoluja, jotka voidaan dynaamisesti ohjelmoida uudelleen sen mukaan onko läsnä yksi vai kaksi testikemikaalia. Eli solut pystyivät vaihtamaan TAI- ja JA-toimintojen välillä.

Kyky luoda ja hallita näitä toimintoja tasoittaa tietä monimutkaisemmalle ohjelmoinnille, mikä tekee suunnitelluista soluista sopivia vaativampiin tehtäviin.

Tekoälyalgoritmit antoivat tutkijoille mahdollisuuden tuottaa tarvittavat geneettiset modifikaatiot bakteerisoluihin huomattavasti pienemmällä ajankäytöllä ja kustannuksilla.

Edelleen ryhmä käytti elävien solujen toista luonnollista ominaisuutta: ne pystyvät reagoimaan gradientteihin. Tekoälyalgoritmeja käyttämällä ryhmä onnistui hyödyntämään tätä luonnollista kykyä luoda analogia-digitaalimuunnin – solu, joka pystyy raportoimaan, onko tietyn molekyylin pitoisuus "matala", "keskikokoinen" vai "korkea". Tällaista anturia voitaisiin käyttää oikean lääkeannostuksen antamiseen, esimerkiksi syövän immunoterapissa ja diabeteslääkinnässä.

Aiheesta aiemmin: