Nghiên cứu mạch sinh học kích hoạt vi khuẩn tạo ra chất bảo vệ cây

Trong điện tử, transistor là linh kiện đóng vai trò như công tắc, kiểm soát dòng điện và là thành phần cơ bản để xây dựng các mạch logic. Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một phiên bản tương tự trong thế giới sinh học: một số tế bào vi khuẩn có thể hoạt động như những transistor sống.

2 bảng mạch "sống" được các kỹ sử MIT tạo ra từ vi khuẩn.

Thay vì điều khiển dòng electron, các transistor sinh học này kiểm soát dòng phân tử tín hiệu giữa các tế bào. Khi kết nối nhiều vi khuẩn lại với nhau, các nhà khoa học có thể tạo thành những “bo mạch sống” có khả năng xử lý thông tin.

Nhóm nghiên cứu lựa chọn Pantoea agglomerans, một loài vi khuẩn thường sống trên các bề mặt và biến đổi chúng để tạo ra hai loại transistor sinh học.

Các transistor này có thể được bật hoặc tắt bằng một phân tử đầu vào gọi là OC-6. Đồng thời, chúng có khả năng phát hiện một phân tử khác là OC-12. Tùy thuộc vào trạng thái bật/tắt và sự hiện diện của OC-12, tế bào sẽ tạo ra một phân tử tín hiệu khác, OHC-14.

Ba dòng vi khuẩn khác được thiết kế để hoạt động như những bộ tiếp sóng, chuyển tín hiệu OHC-14 thành tín hiệu có thể truyền sang transistor tiếp theo.

Nhờ vậy, các nhà khoa học có thể “nối dây” giữa các tế bào, tương tự cách các transistor được kết nối trong một mạch điện tử.

Điều đặc biệt là các mạch này không cần phải được chế tạo trên silicon mà được in lên môi trường thạch trong đĩa Petri. Mỗi khuẩn lạc được đặt cách khuẩn lạc gần nhất khoảng 5 mm, khiến tín hiệu truyền theo một hướng từ tế bào này sang tế bào khác.

Các nhà khoa học đã sử dụng những transistor sống này để tạo nhiều loại cổng logic, trong đó có các phép toán nhiều đầu vào.

Họ cũng kết hợp chúng thành những mạch phức tạp hơn, có khả năng xử lý đồng thời nhiều tín hiệu, thực hiện phép cộng hoặc hoạt động như một bộ phân kênh – tức là nhận một tín hiệu đầu vào rồi chuyển đến một trong nhiều đầu ra tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển.

Mạch lớn nhất được thử nghiệm để cộng hai tín hiệu gồm 24 khuẩn lạc vi khuẩn được kết nối với nhau.

Các vi khuẩn in trên đĩa Petri như một linh kiện điện tử hoàn chỉnh xử lý 1 phép tính mất đến 8 giờ.

Tuy nhiên, những “máy tính sống” này chậm hơn máy tính điện tử rất nhiều. Một phép tính mất khoảng 8 giờ.

Christopher Voigt, trưởng Khoa Kỹ thuật Sinh học của MIT và tác giả cao cấp của nghiên cứu cho biết, mục tiêu không phải tạo ra một chiếc máy tính bằng vi khuẩn mà là đưa khả năng xử lý thông tin vào chính các hệ thống sinh học.

Một trong những ứng dụng được MIT hướng tới là nông nghiệp. Trong tương lai, các mạch vi khuẩn có thể được đưa lên lá hoặc rễ cây. Chúng có thể cảm nhận nhiều dấu hiệu môi trường, sau đó xử lý các tín hiệu này và kích hoạt phản ứng phù hợp.

Chẳng hạn, nếu phát hiện những dấu hiệu liên quan đến sâu bệnh, mạch sinh học có thể kích hoạt vi khuẩn tạo ra một chất bảo vệ cây, chẳng hạn hợp chất diệt nấm. Tương tự, hệ thống có thể được thiết kế để phản ứng với các điều kiện stress khác của cây.

Startup Trung Quốc đột phá sản xuất chip không cần máy quang khắc cực tím.