Biotechnologiczny psikus – E. coli rozwiązały skomplikowany problem matematyczny

Dość często rozpisujemy się tu o możliwościach sztucznej inteligencji, choć okazuje się, że biologia wcale nie zostaje za nią w tyle. Ostatnio wykazano, że groźne dla naszego zdrowia bakterie są niczym ambrozja dla bionicznych układów komputerowych. Symbioza technologii z pałeczkami okrężnicy, brzmi ciekawie, prawda?

MIT Technology Review postanowiło przedstawić nam bardzo ciekawą “postać”, czyli bakterię, dość dobrze znaną rodzajowi ludzkiemu. Mowa oczywiście o bakterii Escherichia coli, którą serwis e-biotechnologia.pl opisuje w taki sposób, że moglibyśmy ją uznać wręcz jako naszą dobrą przyjaciółkę.

Bakteria ta jest częścią flory bakteryjnej zwierząt stałocieplnych, w tym też naszych. Mierzy sobie ok. 2 mikrometry i posiada średnicę do 0,8 mikrometra. Jest dość ruchliwym stworzeniem, beztlenowym choć potrafi nim oddychać. Fermentuje glukozę, laktozę, maltozę i inne węglowodany z wytworzeniem kwasu lub kwasu i gazu.

Do czego  można wykorzystać bakterię E. coli? 

Właściwości tego komórkowca są bardzo dobrze zbadane z racji ogromu czasu, jaki ten mikrob spędził już z naukowcami w przytulnych laboratoryjnych salach. Wykorzystuje się go do mierzenia poziomu zanieczyszczeń wód, za pomocą pomiaru jego bytności w płynie z danego zbiornika.

Portal zdrowegeny.pl wskazuje również jego zastosowanie w medycynie jako probiotyk.  Przyjmowanie leków ze specjalnego szczepu tych bakterii może podtrzymywać remisję chorujących na wrzodziejące zapalenie jelita grubego.

Szczep Escherichia coli Nissle 1917 reguluje ekspresję genu ZO-1. Jest to znamienne w skutkach dla stabilizacji połączeń ścisłych między enterocytami, co jest gwarantem większej szczelności bariery jelitowej.

Choroba brudnych rąk i inne negatywne następstwa oddziaływania E. coli

Patoszczepy tej bakterii nie są już dla nas tak łaskawe. Mogą wywołać stan zapalny, biegunki, owrzodzenia, odwarstwienia komórek czy uszkodzić błonę śluzową wewnątrz naszego układu pokarmowego. Choroba brudnych rąk to inaczej określenie na zarażenie się tym patoszczepem, choć wcale z brudnymi rękoma nie musi mieć nic wspólnego. 

Naukowa przyjaciółka

MIT Technology Review chwali sobie zastosowania tytułowej pałeczki, która pomogła naukowcom dokonać przełomu w badaniach nad DNA, biopaliwem czy szczepionką przeciw Covid od firmy Pfizer. 

Najciekawszą cechą tej bakterii jest jej umiejętność rozwiązania problemu labiryntu obliczeniowego, co jest przyczyną jej oczywistej i głównej funkcji życiowej – reprodukcji.  Okazuje się, że bakteria rozwiązuję problem obliczeniowy za pomocą obliczeń rozproszonych, dzieląc niezbędne obliczenia między różne typy komórek poddanych inżynierii genetycznej.

Przebieg eksperymentu

Eksperyment z pogranicza matematyki, fizyki, informatyki, biologii i chemii. Badanie ciekawe, bo pokazuje złożoność świata. Eksperyment polegał na stworzeniu takich mikstur, które posiadają odpowiednią strukturę cząsteczkową. Te z kolei miały stanowić środowisko do życia dla specjalnie wyselekcjonowanych grup bakterii E. coli.

Receptury chemiczne zostały wyodrębnione z siatki 2 × 2 co ma stanowić reprezentujące problemu labiryntu. Naukowcy odpowiedzialni za ten projekt, czyli Bagh i jego koledzy, matematycznie przełożyli ten problem na tabelę prawdy złożoną z 1 s i 0 s, pokazującą wszystkie możliwe konfiguracje labiryntów. Później zmapowali swoje wyniki, co nakazało im opracowanie 16 odpowiednich mikstur, dla różnych zestawów bakterii.

Grupy te miały różne obwody genetyczne, które wykrywały i analizowały odpowiednie składniki w miksturach.
MIT porównuje takie zbiory bakterii do żywego komputera, który używa komórek do wykonywania szeregu obliczeń. Jeśli labirynt zostanie rozwiązany wtedy płyn zaczyna świecić.

Wyniki sprawdzono po dwóch dniach. Wykazano, że jeśli jest rozwiązanie to bakterie są w stanie znaleźć odpowiednie ścieżki w labiryncie. Okazało się to możliwe tylko w trzech przypadkach, co według obliczeń matematycznych wcale nie jest takie proste do udowodnienia, a według E. coli owszem.

Biologiczna moc obliczeniowa

Biologia różni się od maszyn jedną zasadniczą cechą – żyje. Choć możemy się zastanowić czy sztuczna inteligencja nie pokazuje już objawów myślenia i tych myśli realizacji, tak w przypadku biologii, nie musimy poddawać tego pod proces myślowy, gdyż jest to oczywistością.

Organizmy mają jednak swoje cele, które utrudniają badania naukowe z ich wykorzystaniem.  Głównymi cechami komórek wg Davida McMillena są dobór naturalny i entropia, czyli umiejętność przystosowania się i reprodukcji przed zagładą i rozpadem, z czym ciężko jest walczyć do osiągnięcia swoich naukowych zamiarów. Gra jest jednak warta świeczki.

 – Jedna łyżeczka bakterii ma więcej bramek logicznych niż, jak sądzę, 2 miliardy procesorów Xeon i więcej pamięci w DNA niż cały internet. Biologia ma niesamowitą moc obliczeniową i robi to, rozprowadzając ją na ogromnej liczbie komórek – przekonuje biolog syntetyczny, Chris Voigt.  Jednakże tak wielka moc obliczeniowa wiąże się z pewnym ograniczeniem, czyli prędkością – Przetwarzanie bramy zajmuje 20 minut, więc jest bardzo powolne – dodaje Voigt.

Przyszłość cyberbezpieczeństwa i biotechnologii pod znakiem E. coli?

Mikrobiologia ma ogromne pole do popisu. Eksperyment z E. coli udowadnia, że naukowcy są za pomocą mikroorganizmów opracowywać wiele typów komórek, z których każda ma inne funkcje, aby wykonać określone zadanie. Dzięki współpracy są w stanie “obliczać”, czyli rozwiązywać stawiane przed nimi problemy

Wedle wyobrażeń Bagh’a można będzie zaprojektować biologiczny komputer pomagający w kryptografii lub steganografii do szyfrowania i ukrywania danych. Jednakże gałęzie związane z ochroną danych to nie wszystko.

Badaczowi MIT udało się zaprogramować DNA z użyciem algorytmu kalkulatora i wygenerować cyfrowy wyświetlacz z fluorescencyjnymi bakteriami E. coli . Miało to jednak ograniczenie spowodowane typem kolonii bakteryjnej, co nie pozwala na tworzenie bardziej skomplikowanych układów.

Naukowcy próbują opracowywać biotechnologiczne sieci przesyłowe nieograniczające się do systemu obliczeń bazujących na zerach i jedynkach, a dążących do chaosu i nieuporządkowania charakterystycznego dla bakterii.  – Jeśli mamy bawić się żywą technologią, musimy grać zgodnie z zasadami żywych systemów – mówi biolog syntetyczny Ángel Goñi-Moreno z Politechniki Madryckiej. W przyszłości może będą dostępne biokomputery pozwalające na opracowywanie strategii rolnej czy dostosowywanie terapii chorób.

Redakcja Mobile Trends uważa, że temat biologii syntetycznej jest równie ważny i inspirujący co zagadnienia fizyki kwantowej, możliwości SI czy szereg komplikacji UX-owych związanych z projektowaniem aplikacji. W końcu kto by pomyślał, że bakterie E. coli mogą być bio-komputerem?