Компьютер теперь можно вырастить — ученые собрали из клеток живой транзистор
Инженеры превратили генетически модифицированные бактерии в подобие транзисторов и собрали из живых колоний логические схемы, способные обрабатывать химические сигналы. В лаборатории исследователи уже построили «живые платы» из 24 бактериальных колоний, которые выполняют операции сложения и направляют входящий сигнал по заданному пути.
Работа показывает необычный путь развития биокомпьютеров. Вместо попытки заставить одну клетку выполнять сложную программу команда разделила вычисления между несколькими специализированными штаммами бактерий. Получившуюся схему можно буквально напечатать на питательной среде, вырастить, а затем изменить выполняемую функцию, просто переставив бактериальные колонии в другом порядке.
Исследование опубликовали 17 августа 2026 года в Nature Chemical Biology. Для экспериментов учёные использовали Pantoea agglomerans, бактерию, которая встречается в окружающей среде и часто живёт на поверхности растений.
Обычный электронный транзистор управляет потоком электрического тока. Бактериальный аналог работает с химическими сигналами. Исследователи создали два типа клеточных «транзисторов», которые включаются или выключаются в зависимости от концентрации определённых молекул, а затем производят другую сигнальную молекулу для передачи результата дальше по схеме.
Ещё три штамма выполняют роль своеобразных проводов и реле. Бактерии принимают один химический сигнал, преобразуют его в другой и передают соседней колонии. Благодаря такой архитектуре пять заранее созданных типов клеток можно комбинировать без новой генетической модификации для каждой вычислительной задачи.
Колонии печатали на агаровой питательной среде при помощи акустического дозатора жидкости. Соседние точки размещали примерно в пяти миллиметрах друг от друга. Расстояние подобрали так, чтобы сигнальные молекулы диффундировали преимущественно к ближайшей колонии и информация последовательно проходила через заданную цепочку.
Команда продемонстрировала несколько базовых логических операций, а затем собрала более сложные устройства, включая демультиплексор, полусумматор и полный сумматор. Демультиплексор принимает один сигнал и в зависимости от управляющего входа направляет его к одному из нескольких выходов. Сумматоры относятся к фундаментальным компонентам цифровых вычислительных систем и позволяют складывать двоичные значения.
Самая крупная экспериментальная схема состояла из 24 бактериальных колоний. Расположение колоний определяло выполняемую операцию, поэтому исследователям не требовалось заново переписывать генетическую программу бактерий при переходе от одной схемы к другой.
Подход решает одну из давних проблем синтетической биологии. Раньше исследователи часто пытались разместить множество логических функций внутри одной клетки. Генетические цепи начинали конкурировать за клеточные ресурсы, а регуляторные белки могли мешать друг другу. Число подходящих молекулярных переключателей также ограничено, поэтому сложность такой системы быстро упирается в возможности одной клетки.
Разделение задачи между колониями снимает часть ограничений. В опубликованной работе авторы применили принцип pass-transistor logic, известный по электронной схемотехнике. Простые элементы выполняют небольшие операции, а сложное поведение возникает после соединения множества одинаковых строительных блоков.
До конкуренции с кремниевыми процессорами подобным системам далеко. Один вычислительный цикл у экспериментальной бактериальной схемы занимает около восьми часов. Авторы и не ставят задачу заменить обычные компьютеры. Исследователи хотят перенести вычисления туда, где сама биологическая среда одновременно служит источником данных и местом выполнения команды.
Одним из возможных применений команда называет сельское хозяйство. Бактериальную сеть теоретически можно разместить на корнях или листьях растения и запрограммировать на несколько входных сигналов. Такая система могла бы распознавать засуху, присутствие вредителей или другие признаки стресса, а после вычисления запускать заранее заданную биологическую реакцию, например синтез вещества против грибковой инфекции.
Пока подобного эксперимента на растениях исследователи не показали. Работа демонстрирует схемы на контролируемой питательной среде, а переход к почве или поверхности листьев создаст дополнительные проблемы. Концентрация сигнальных молекул, расстояние между колониями, влажность, другие микроорганизмы и изменение окружающей среды могут нарушить передачу информации.
Главная особенность разработки заключается не столько в скорости или сложности выполненных вычислений, сколько в самой архитектуре. Пять типов живых клеток удалось превратить в универсальный набор элементов, из которого разные вычислительные устройства собираются за счёт геометрии схемы. Бактерии при этом остаются живыми, растут и производят молекулы, поэтому сенсор, вычислительный элемент и исполнительный механизм потенциально могут стать частями одной биологической системы.
Работу частично финансировали американские агентства DARPA и IARPA, которые поддерживают исследования перспективных технологий для обороны и разведки. Авторы указывают, что заявленные выводы принадлежат исследовательской группе и не отражают официальную позицию американских ведомств.