Bakteriální počítače řešící matematické problémy

Biologové vytvořili živý počítač z bakterií Escherichia coli, který umí rychle řešit složité matematické úkoly.

Výzkumnému týmu pod vedením Jordana Baumgardnera z ústavu biologie na Western State University v Missouri se podařilo vyřešit "problém obchodního cestujícího", známý také jako Hamiltonova cesta (Hamiltonian path problem) s pomocí "bakteriálního počítače". Na projektu spolupracovali s Baumgardenerem ještě 4 další členové fakulty a do výzkumu se zapojilo 15 pregraduálních studentů, mimo jiné i z ústavu matematiky na Davidson College z North Carolina.

Hlavolam pro počítač

K vytvoření bakteriálního počítače vědci využili běžnou bakterii osidlující střevní trakt lidí i zvířat, Escherichii coli. Bakteriální počítač byl schopen řešit klasický matematický problém obchodního cestujícího. Ten zahrnuje vyhledání nejkratší možné cesty procházející všemi zadanými body na mapě. Pro názornost si představte, že chcete navštívit 10 největších měst ve Velké Británii. Cesta může začínat v Londýně a končit v Bristolu. Řešením „hamiltonian path problem" je cesta, při které navštívíte každé město maximálně jedenkrát.

Tento zdánlivě jednoduchý problém je neuvěřitelně složitý. Existuje více než 3,5 milionů možných tras a tradiční počítač musí všechny cesty ověřit, než najde tu nejkratší, při které je každé město navštíveno pouze jedenkrát. Počítač vyrobený z milionů bakterií může trasy prověřovat souběžně. Biologický počítač má i další výhody. S postupem času, množení bakterií vede ke zvýšení výkonnosti počítače.

Naprogramování bakteriálního počítače

Vědci pro potřebu výzkumu náročnost cesty omezili pouze na tři města, a bakteriím geneticky upravili DNA, aby dokázaly najít správnou cestu. Naprogramování bakteriálního počítače není jednoduchá záležitost. Vědci zakódovali zjednodušenou verzi problému. Města byla reprezentována kombinací genů, které u bakterie kódují schopnost zářit červeně nebo zeleně. Bakterie produkující správnou odpověď zářily oběma barvami, výslednou kombinací zelené a červené byla žlutá fluorescence.
Experiment fungoval a vědci ověřovali sekvenci DNA bakterií, které zářily žlutě. Nyní věří, že pokud při příštím pokusu použijí další genetické rozlišovací vlastnosti, jako třeba rezistenci k určitým antibiotikům, tak by s použitím jejich metody mohl být vyřešen problém zahrnující více měst.

Předešlé úspěchy

Výzkum rozšiřuje předešlou práci o počítačích z bakterií, publikovanou minulý rok ve stejném časopise, které mohly řešit the Burnt Pancake Problem. Tento neobvykle pojmenovaný hlavolam je matematický třídící proces, který může být vyobrazen jako hromada palačinek, všechny spálené na jedné straně, které musejí být seřazené podle velikosti.

Jde o syntetickou biologii

Nejenže tým poukázal na potenciál skrytý v bakteriálních počítačích, ale také se mu podařilo významně přispět k rozvoji oboru syntetické biologie. Syntetická biologie používá techniky molekulární biologie, genetického inženýrství a matematického modelování k sestrojení nových genetických systémů s dosud nepoznanými funkcemi. Podle Todda Eckdahla, dalšího z autorů studie, skýtá syntetická biologie nevídané možnosti pro multidisciplinární výzkum. „ Zjistili jsme, že syntetická biologie je znamenitý způsob angažovat studenty do výzkumu, který spojuje biologii a matematiku. Naši studenti se učí přímo z první ruky těžit výhody z překračování hranic mezi tradičními disciplínami." Uzavírá Eckdahl.

My jsme použili syntetickou biologii k řešení matematických problémů, ale syntetická biologie nabízí východiska z klíčových problémů v medicíně, energetice, ale i v životním prostředí. Syntetická biologie má ohromný potenciál pro reálný svět." Vysvětluje Jordan Baumgardner.

Stejně jako jsou elektronické obvody tvořeny tranzistory, diodami a jinými zařízeními, je tomu i u těch biologických. Syntetičtí biologové vytvořili Rejstřík standardních biologických součástek (Registry of Standard Biological Parts) a tento nový výzkum poskytl více než 60 nových komponent na tento seznam. Rejstřík je dostupný širší komunitě syntetických biologů.

Závěry výzkumu ukazují, že počítání žijícími buňkami je realizovatelné a otevírá dveře mnoha využití v praktických aplikacích.

Výzkum byl publikován v časopise Journal of Biological Engineering pod názvem "Solving a Hamiltonian Path Problem with a bacterial computer".

Zdroje:
http://www.jbioleng.org/content/pdf/1754-1611-3-11.pdf
http://www.guardian.co.uk/science/blog/2009/jul/24/bacteria-computer
http://www.sciencedaily.com/releases/2009/07/090723194321.htm

Autor: Vlasta Stancová