ساخت مدارهای زیستی با باکتری؛ گامی بزرگ در زیست‌شناسی مصنوعی و کشاورزی هوشمند

پژوهشگران در مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) موفق شده‌اند با استفاده از مهندسی باکتری‌ها، نوعی مدار زیستی ایجاد کنند که قادر است مانند قطعات الکترونیکی، عملیات منطقی را انجام دهد. این نوآوری در حوزه زیست‌شناسی مصنوعی می‌تواند تحولی بزرگ در مدیریت هوشمند محصولات کشاورزی ایجاد کند.

ساختار مدارات زیستی و نقش باکتری‌ها

در این فناوری جدید، باکتری‌ها به جای جریان الکتریکی، از طریق تولید مولکول‌های کوچک، پیام‌ها را منتقل یا قطع می‌کنند. این تیم تحقیقاتی توانسته است پنج نوع باکتری مختلف را طراحی کند که شامل دو مدل باکتری کلیدمانند و سه مدل باکتری واسطه است.

این اجزا در کنار هم، عملکردی مشابه ترانزیستورها در رایانه‌ها دارند. با چیدمان دقیق این باکتری‌ها، می‌توان مدارهای پیچیده‌ای ساخت که قادر به ترکیب چندین ورودی و ارسال سیگنال به مقصد مشخص هستند.

"ما توانسته‌ایم اجزای اولیه یک رایانه را در قالب موجودات زنده بازسازی کنیم که هر نوع عملیات منطقی را امکان‌پذیر می‌سازد."

چالش‌های طراحی و روش اجرا

طراحی مدارهای پیچیده در داخل یک سلول واحد به دلیل محدودیت‌های ساختاری بسیار دشوار است. برای رفع این مشکل، دانشمندان از باکتری پانتوآ آگلومرانس استفاده کردند که به طور طبیعی روی سطوح و گیاهان رشد می‌کند.

در این روش، توده‌های باکتریایی با استفاده از یک چاپگر ویژه بر روی لایه آگار قرار گرفته‌اند. فاصله ۵ میلی‌متری میان این توده‌ها باعث می‌شود که انتقال اطلاعات به صورت کنترل‌شده و دقیق انجام شود. بزرگ‌ترین مدار ساخته شده در این مطالعه، شامل ۲۴ توده متصل به یکدیگر بوده است.

کاربرد در کشاورزی هوشمند و محیط زیست

هدف نهایی این پژوهش، تجهیز گیاهان به توانایی تصمیم‌گیری در برابر تغییرات محیطی است. این مدار زیستی می‌تواند مستقیماً روی ریشه‌ها یا برگ‌ها قرار گیرد تا شرایطی نظیر خشکسالی یا حمله آفات را شناسایی کند.

اگرچه سرعت این محاسبات بسیار پایین است و هر عملیات حدود ۸ ساعت زمان می‌برد، اما برای چرخه رشد گیاهان کاملاً کارآمد است. برای مثال، در صورت تشخیص بیماری، مدار می‌تواند به طور خودکار تولید یک ماده محافظ یا قارچ‌کش طبیعی را فعال نماید.

در نهایت، این دستاورد علمی نشان می‌دهد که مرز میان دنیای دیجیتال و دنیای زیستی در حال کمرنگ شدن است و با استفاده از زیست‌شناسی مصنوعی، می‌توان موجودات زنده را به سیستم‌های هوشمند و پاسخگو تبدیل کرد.