จากชีววิทยาสู่ PCB วิศวกร MIT สร้าง Transistor มีชีวิต

นักวิจัย MIT นำแบคทีเรียมาสร้างเป็น ‘Living Transistor’ จัดเรียงเป็นแผงวงจรชีวภาพที่ประมวลผลทางตรรกะได้จริง แม้ปัจจุบันวงจรจะใช้เวลาคำนวณ 8 ชั่วโมงและมุ่งใช้งานด้านการเกษตร แต่นวัตกรรมนี้คือการพิสูจน์แนวคิดผสานชีววิทยาเข้ากับการออกแบบวงจร ซึ่งผู้ผลิตในอุตสาหกรรมชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์และ PCB ควรจับตาทิศทางของการทำงานข้ามสายพันธุ์วัสดุในอนาคต

ในอนาคตการประมวลผลข้อมูลอาจไม่ได้จำกัดอยู่แค่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ แต่สามารถแฝงตัวอยู่ในรากพืชเพื่อให้พวกมันคำนวณและสั่งการรับมือกับโรคหรือการเปลี่ยนแปลงของสภาพแวดล้อมได้ด้วยตัวเอง ข่าวประชาสัมพันธ์จาก Massachusetts Institute of Technology (MIT) ระบุว่าทีมวิศวกรได้ประสบความสำเร็จในการดัดแปลงแบคทีเรียให้ทำงานเป็น Transistor ชีวภาพ ซึ่งสามารถนำมาเชื่อมต่อกันเป็นวงจร (Circuit Board) ที่รองรับการคำนวณทางตรรกะที่ซับซ้อนได้

เปลี่ยนเซลล์สิ่งมีชีวิตให้เป็น Transistor

โดยทั่วไปแล้ว Transistor ในวงจรไฟฟ้าจะทำหน้าที่เป็นสวิตช์เปิดปิดกระแสไฟ แต่สำหรับวงจรชีวภาพที่ทีมวิจัยสร้างขึ้นนี้ สวิตช์แบคทีเรียจะทำหน้าที่ควบคุมการไหลของโมเลกุลขนาดเล็กเพื่อส่งสัญญาณไปยังส่วนประกอบอื่นของวงจร ทีมงานได้เลือกใช้แบคทีเรีย Pantoea Agglomerans ซึ่งมักพบเจริญเติบโตอยู่บนผิวพืช มาสร้างเป็น Transistor สองชนิดที่ถูกควบคุมการเปิดปิดด้วยโมเลกุล OC-6 พร้อมกับตรวจจับโมเลกุลเป้าหมาย OC-12 โดยมีผลลัพธ์การทำงานเป็นการผลิตโมเลกุล OHC-14 ออกมา

นอกจากนี้ ทีมวิจัยยังใช้แบคทีเรีย Pantoea Agglomerans สายพันธุ์กลุ่ม Relay อีกสามชนิดเพื่อทำหน้าที่แปลและส่งต่อสัญญาณ OHC-14 ไปยัง Transistor ตัวถัดไป ทำให้เกิดการเชื่อมต่อกันเป็นทอดๆ คล้ายกับแผงวงจรไฟฟ้า

ลดปัญหา Crosstalk ด้วยการพิมพ์โคโลนี

เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดการทำงานข้ามสาย (Crosstalk) หรือสร้างภาระในการผลิตโปรตีนให้กับเซลล์ใดเซลล์หนึ่งมากเกินไป ทีมวิจัยใช้วิธีพิมพ์โคโลนีของแบคทีเรียลงบนจานเพาะเชื้อที่ประกอบด้วยวุ้น (Agar) โดยเว้นระยะห่างแต่ละจุดประมาณ 5 มิลลิเมตร วิธีนี้ช่วยบังคับให้สัญญาณเดินทางไปยังโคโลนีที่อยู่ใกล้ที่สุดเพียงทิศทางเดียว

งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Chemical Biology โดยแสดงให้เห็นว่าวงจรเหล่านี้สามารถทำงานในรูปแบบ Logic Gate ได้หลายประเภท เช่น ‘Multi-input’, ‘OR’ และ ‘IMPLY’ รวมถึงสามารถทำหน้าที่เป็น Demultiplexer ได้ วงจรที่มีขนาดใหญ่ที่สุดที่ทีมงานสร้างขึ้นประกอบด้วยแบคทีเรีย 24 โคโลนีที่เชื่อมต่อกันเพื่อประมวลผลสัญญาณสองชุดเข้าด้วยกัน

ก้าวต่อไปของการคำนวณในระบบชีววิทยา

Christopher Voigt หัวหน้าภาควิชาวิศวกรรมชีวภาพของ MIT อธิบายว่าการเชื่อมต่อฟังก์ชันที่เรียบง่ายในแต่ละเซลล์เข้าด้วยกันสามารถทำให้เกิดการทำงานที่ซับซ้อนขึ้นได้ โดยวงจรชีวภาพแต่ละชุดใช้เวลาประมาณ 8 ชั่วโมงในการประมวลผลคำสั่ง

แม้จะช้ากว่าวงจรคอมพิวเตอร์ทั่วไปอย่างมาก แต่ Voigt ได้เน้นย้ำว่า “เราไม่ได้พยายามจะสร้างสิ่งมาแทนที่คอมพิวเตอร์ แต่เป็นการนำการควบคุมเชิงคำนวณเข้าไปใส่ในระบบชีววิทยา” ความเร็วดังกล่าวถือว่าเพียงพอแล้วสำหรับการนำไปใช้งานจริง เช่น การเคลือบวงจรเหล่านี้ไว้บนรากพืชเพื่อให้พวกมันสามารถประมวลผลสถานะข้ามคืน และสามารถสั่งให้พืชสังเคราะห์สารกำจัดเชื้อราออกมาตอบสนองต่อสภาวะกดดันจากสิ่งแวดล้อมได้ทันที

ที่มา:
MIT