معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يحوّل البكتيريا إلى ترانزستورات حية

علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يحوّلون البكتيريا إلى ترانزستورات حية، مما يفتح الباب أمام نباتات مزودة بحواسيب بيولوجية مدمجة يمكنها استشعار بيئتها والاستجابة لها.

قام باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بهندسة البكتيريا لتعمل كالترانزستورات، مما أدى إلى ابتكار "لوحات دوائر" حية يمكن طباعتها على مادة النمو داخل طبق بتري.

في الإلكترونيات التقليدية، تعمل الترانزستورات كمفاتيح تتحكم فيما إذا كان التيار الكهربائي يمكن أن يمر عبر دائرة. وفي نظام معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، تؤدي الخلايا البكتيرية المُهندسة دورًا مشابهًا عن طريق تنظيم حركة جزيئات الإشارة الصغيرة. ثم تحمل هذه الجزيئات المعلومات إلى مكونات أخرى في الدائرة البيولوجية.

ابتكر الباحثون نوعين من الترانزستورات البكتيرية وثلاث سلالات بكتيرية إضافية تعمل كمرحلات بينهما. وتوفر هذه السلالات الخمس معًا مجموعة معيارية من المكونات التي يمكن ترتيبها لبناء أي نوع تقريبًا من الدوائر. وفي الدراسة الجديدة، أظهر الفريق دوائر قادرة على جمع مدخلين أو ثلاثة وتوجيه مدخل واحد نحو وجهة مختارة.

يقول حميد دوست حسيني، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمؤلف الرئيسي للدراسة الجديدة، الحاصل على الدكتوراه عام 2025: "لقد قمنا ببناء بعض المكونات الأولية لهندسة الحاسوب الشائعة الاستخدام، ولكن يمكن بناء أي عملية باستخدام هذه السلالات الخمسة".

أحد الاستخدامات المحتملة هو وضع هذه الدوائر الحية على أوراق النباتات أو جذورها. وهناك، يمكن للبكتيريا معالجة المعلومات حول الظروف البيئية، مما يساعد النباتات على اكتشاف الإجهادات مثل الجفاف أو هجمات الآفات والاستجابة لها.

كريستوفر فويت، رئيس قسم الهندسة البيولوجية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، هو المؤلف الرئيسي للورقة البحثية التي نُشرت مؤخرًا في مجلة Nature Chemical Biology. كما أن باحث ما بعد الدكتوراه السابق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هاورونج تشن هو أيضًا أحد مؤلفي الورقة.

تحويل الخلايا البكتيرية إلى ترانزستورات

عادةً ما تُبنى دوائر البيولوجيا التركيبية عن طريق هندسة الخلايا لإنتاج البروتينات وعوامل النسخ التي تتفاعل مع بعضها البعض. ويمكن برمجة هذه الأنظمة لتنفيذ مهام مثل الكشف عن جزيء معين ثم إنتاج استجابة محددة.

يمكن لمثل هذه الدوائر أن تؤدي وظائف منطقية مختلفة، ولكن تعقيدها محدود. ويحتاج الباحثون عادةً إلى عوامل نسخ مميزة لعمليات منفصلة حتى لا تتداخل الإشارات مع بعضها البعض. وبما أن عددًا محدودًا فقط من عوامل النسخ المناسبة متاح، فهناك سقف عملي لمدى تعقيد الدائرة داخل خلية واحدة. كما أن حشر الكثير من الدوائر في خلية واحدة يمكن أن يربك آلة إنتاج البروتين الخاصة بها.

تعامل فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مع المشكلة بطريقة مختلفة. فبدلًا من وضع دائرة كاملة داخل خلية واحدة، قاموا بهندسة خلايا فردية لتعمل كمكونات شبيهة بالترانزستور يمكن ربطها بترتيبات مختلفة.

لهذه المكونات، استخدم الباحثون بكتيريا Pantoea agglomerans، وهي بكتيريا تنمو عادة على الأسطح، بما في ذلك النباتات. وقد قاموا بهندسة نسختين من الترانزستورات البكتيرية تستجيبان لجزيء يسمى OC 6. يقوم أحد الأنواع بالتشغيل عندما يواجه الجزيء، بينما يتوقف الآخر عن العمل.

كل ترانزستور يستشعر أيضًا جزيئًا مستهدفًا ثانيًا، وهو OC 12. واعتمادًا على ما إذا كان OC 12 موجودًا وما إذا تم تنشيط الترانزستور، تنتج الخلية البكتيرية جزيئًا ناتجًا يسمى OHC 14.

ربط الخلايا الحية معًا

ثم قام الفريق بهندسة ثلاث سلالات من بكتيريا Pantoea agglomerans لتعمل كمرحلات. وتقوم هذه الخلايا بتحويل إشارة OHC 14 إلى مخرج آخر يمكن أن يكون بمثابة مدخل للترانزستور التالي. وبهذه الطريقة، يمكن "ربط" المكونات البكتيرية الفردية معًا إلى حد كبير مثل الأجزاء الموجودة على لوحة دوائر إلكترونية.

على سبيل المثال، قام الباحثون ببناء مفتاح ثنائي الاتجاه باستخدام ترانزستورين يكشفان عن OC 12. واعتمادًا على مدخل مفتاح منفصل، يرسل النظام تلك المعلومات عبر سلالات مرحلات مختلفة قبل تمريرها إلى ترانزستورات إضافية لمزيد من المعالجة.

لتجميع الدوائر، قام الباحثون بطباعة مستعمرات بكتيرية على أطباق تحتوي على الآجار، الذي يعمل كوسيط نمو. وتم وضع كل مستعمرة على بعد حوالي 5 مليمترات من أقرب مستعمرة لها. ويساعد هذا التباعد على ضمان وصول الإشارات الكيميائية إلى المستعمرة التالية فقط في التسلسل، مما يسمح للمعلومات بالانتقال عبر الدائرة في اتجاه واحد.

بناء دوائر بيولوجية أكثر تعقيدًا

أظهر الباحثون أن الترانزستور البكتيري نفسه يمكنه أداء عدة عمليات منطقية اعتمادًا على موقعه داخل الدائرة. وشملت هذه العمليات بوابات "متعددة المدخلات" (multi-input)، و"أو" (or)، و"تتضمن" (imply).

عن طريق ربط ترانزستورات متعددة، أنشأ الفريق أيضًا أنظمة أكثر تعقيدًا. يمكن للدوائر أن تجمع إشارتين، أو تعالج عدة إشارات في نفس الوقت، أو تعمل كمفكك تجميع (demultiplexer)، الذي يستقبل إشارة واردة واحدة ويوجهها إلى واحدة من عدة وجهات ممكنة بناءً على إشارة تحكم منفصلة.

احتوت أكبر دائرة تم عرضها في الدراسة على 24 مستعمرة بكتيرية مترابطة وصُممت لجمع مدخلين معًا.

يقول فويت: "يُظهر هذا العمل أنه يمكننا الوصول إلى وظائف أكثر تعقيدًا عن طريق ربط وظائف أبسط في الخلايا الفردية". ويضيف: "حسابيًا، لا يوجد شيء يمكن أن يفعله هاتف iPhone الخاص بك لا يمكن لهذه الدوائر فعله".

ومع ذلك، هناك فرق كبير في السرعة. تستغرق كل عملية حسابية تقوم بها الدوائر البكتيرية حوالي ثماني ساعات، وهو أطول بكثير مما يتطلبه الحاسوب الإلكتروني. ومع ذلك، بالنسبة للتطبيقات البيولوجية، يقول الباحثون إن هذه الوتيرة لا تزال عملية.

يقول فويت: "نحن لا نحاول استبدال أجهزة الكمبيوتر، بل نسعى لوضع التحكم الحسابي في البيولوجيا. إذا كان لديك بكتيريا على جذر نبات، أو كان النبات نفسه يقوم بالحساب، فإن إجراء عملية حسابية بسيطة بين عشية وضحاها يكون سريعًا بما يكفي مقارنة بموسم النمو".

حواسيب حية للزراعة

أحد التطبيقات المحتملة هو الزراعة. إذا أمكن وضع هذه الدوائر في النهاية على جذور النباتات، فيمكن برمجتها لاكتشاف أشكال مختلفة من الإجهاد. وعندما يتعرف النظام على إشارة معينة، يمكنه إطلاق استجابة مقابلة، مثل إنتاج مبيد فطري.

تم تمويل البحث، جزئيًا، من قِبل وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة الأمريكية (DARPA) ومن قِبل نشاط مشاريع الأبحاث الاستخباراتية المتقدمة الأمريكية (IARPA).

• مواضيع ذات صلة النباتات والحيوانات التكنولوجيا الحيوية والهندسة البيولوجية

• الحواسيب والرياضيات الحواسيب والإنترنت

• مصطلحات ذات صلة حاسوب كمومي

• دفاع النبات ضد الأكل

المواد مقدمة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. كتبه الأصلي آن ترافتون. ملاحظة: قد يتم تعديل المحتوى من حيث الأسلوب والطول.

• حميد دوست حسيني، هاورونج تشن، كريستوفر أ. فويت. لوحات دوائر حية مبنية بطباعة ترانزستورات بكتيرية. مجلة Nature Chemical Biology، 2026؛ معرف الوثيقة الرقمي (DOI): 10.1038/s41589-026-02300-3

قد تحتاج شجرة العائلة البشرية إلى إعادة كتابة كبيرة

تحول جديد في مشكلة أينشتاين يكشف عن فيزياء غير متوقعة

باحثون يكشفون التكلفة الخفية الباهظة لألعاب الفيديو "المجانية"

تلسكوب جيمس ويب الفضائي يلتقط أدلة مذهلة على كيفية تغذي الثقوب السوداء فائقة الكتلة

• جفاف شديد ينتشر في جميع أنحاء بورتوريكو

• معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يحوّل البكتيريا إلى ترانزستورات حية

• التنفس البطيء قد يؤدي إلى خيارات أكثر جرأة

• المجرات الراديوية المحتضرة تتلاشى بسرعة

• كاشف المادة المظلمة يجد لغزًا

• تعليمات خفية تبني الدماغ البشري

• علاج جديد يساعد في إصلاح تلف الدماغ الناتج عن السكتة الدماغية

• العثور على "زهرة الشيطان" الغريبة في تايلاند

• قد تتطور النباتات بسمات خاطئة

• اكتشاف أنظمة ماغما هائلة تحت المريخ

ابقَ على اطلاع مع النشرة الإخبارية المجانية عبر البريد الإلكتروني من ScienceDaily، والتي تُحدّث يوميًا وأسبوعيًا. أو اطلع على خلاصات الأخبار العديدة لدينا في قارئ RSS الخاص بك:

ابقَ على اطلاع دائم بآخر الأخبار من ScienceDaily عبر الشبكات الاجتماعية:

أخبرنا برأيك في ScienceDaily -- نرحب بالتعليقات الإيجابية والسلبية على حد سواء. هل تواجه أي مشاكل في استخدام الموقع؟ أسئلة؟