एक ई. कोलाई बायोकंप्यूटर कार्य साझा करके एक भूलभुलैया हल करता है

ई. कोलाई हमारी हिम्मत में पनपता है, कभी-कभी दुर्भाग्यपूर्ण प्रभाव के लिए, और यह वैज्ञानिक प्रगति की सुविधा देता है- डीएनए, जैव ईंधन, और फाइजर के कोविड वैक्सीन, लेकिन कुछ के नाम पर। अब इस बहुप्रतिभाशाली जीवाणु में एक नई चाल है: यह वितरित कंप्यूटिंग का उपयोग करके एक क्लासिक कम्प्यूटेशनल भूलभुलैया समस्या को हल कर सकता है – विभिन्न प्रकार के आनुवंशिक रूप से इंजीनियर कोशिकाओं के बीच आवश्यक गणनाओं को विभाजित करना।

यह साफ-सुथरा करतब सिंथेटिक जीव विज्ञान का श्रेय है, जिसका उद्देश्य इलेक्ट्रॉनिक सर्किटरी की तरह जैविक सर्किटरी को और कंप्यूटर के रूप में आसानी से कोशिकाओं को प्रोग्राम करना है।

भूलभुलैया प्रयोगटी उस क्षेत्र का हिस्सा है जिसे कुछ शोधकर्ता क्षेत्र में एक आशाजनक दिशा मानते हैं: सभी काम करने के लिए एक ही प्रकार के सेल को इंजीनियरिंग करने के बजाय, वे काम पाने के लिए कई प्रकार के सेल डिजाइन करते हैं, प्रत्येक अलग-अलग कार्यों के साथ। संगीत कार्यक्रम में काम करते हुए, ये इंजीनियर रोगाणु जंगली में बहुकोशिकीय नेटवर्क की तरह “गणना” और समस्याओं को हल करने में सक्षम हो सकते हैं।

अब तक, बेहतर या बदतर के लिए, जीव विज्ञान की डिजाइन शक्ति का पूरी तरह से उपयोग करने से, और निराश, सिंथेटिक जीवविज्ञानी बच गए हैं। “प्रकृति यह कर सकते हैं (मस्तिष्क के बारे में सोचें), लेकिन हम अभी तक नहीं पता है कि जीव विज्ञान का उपयोग करके जटिलता के उस भारी स्तर पर कैसे डिजाइन किया जाए, ”हार्वर्ड में सिंथेटिक जीवविज्ञानी पामेला सिल्वर कहते हैं।

के साथ अध्ययन ई कोलाई कोलकाता में साहा इंस्टीट्यूट ऑफ न्यूक्लियर फिजिक्स में बायोफिजिसिस्ट संग्राम बाग के नेतृत्व में भूलभुलैया सॉल्वर, एक सरल और मजेदार खिलौना समस्या है। लेकिन यह कोशिकाओं के बीच वितरित कंप्यूटिंग के सिद्धांत के प्रमाण के रूप में भी कार्य करता है, यह दर्शाता है कि इसी तरह से अधिक जटिल और व्यावहारिक कम्प्यूटेशनल समस्याओं को कैसे हल किया जा सकता है। यदि यह दृष्टिकोण बड़े पैमाने पर काम करता है, तो यह फार्मास्यूटिकल्स से लेकर कृषि से लेकर अंतरिक्ष यात्रा तक हर चीज से संबंधित अनुप्रयोगों को अनलॉक कर सकता है।

टोरंटो विश्वविद्यालय के बायोइंजीनियर डेविड मैकमिलन कहते हैं, “जैसे-जैसे हम इंजीनियर जैविक प्रणालियों के साथ और अधिक जटिल समस्याओं को हल करने में आगे बढ़ते हैं, वैसे ही लोड को इस तरह फैलाना एक महत्वपूर्ण क्षमता बनने जा रहा है।”

कैसे एक जीवाणु भूलभुलैया बनाने के लिए

मिल रहा ई कोलाई कुछ सरलता शामिल भूलभुलैया समस्या को हल करने के लिए। बैक्टीरिया अच्छी तरह से काटे गए हेजेज के महल की भूलभुलैया से नहीं भटके। बल्कि, बैक्टीरिया ने विभिन्न भूलभुलैया विन्यासों का विश्लेषण किया। सेटअप: प्रति टेस्ट ट्यूब एक भूलभुलैया, एक अलग रासायनिक मिश्रण द्वारा उत्पन्न प्रत्येक भूलभुलैया के साथ।

रासायनिक व्यंजनों को भूलभुलैया की समस्या का प्रतिनिधित्व करने वाले 2 × 2 ग्रिड से अलग किया गया था। ग्रिड का ऊपरी बायां वर्ग भूलभुलैया की शुरुआत है, और निचला दायां वर्ग गंतव्य है। ग्रिड पर प्रत्येक वर्ग या तो एक खुला पथ हो सकता है या अवरुद्ध हो सकता है, जिससे 16 संभावित भूलभुलैया हो सकते हैं।

बाग और उनके सहयोगियों ने गणितीय रूप से इस समस्या का अनुवाद एक सत्य तालिका में किया, जो से बनी है 1रेत 0s, सभी संभावित भूलभुलैया विन्यास दिखा रहा है। फिर उन्होंने उन विन्यासों को चार रसायनों के 16 अलग-अलग शंखनादों पर मैप किया। प्रत्येक रसायन की उपस्थिति या अनुपस्थिति इस बात से मेल खाती है कि कोई विशेष वर्ग भूलभुलैया में खुला या अवरुद्ध है या नहीं।

टीम ने के कई सेट तैयार किए ई कोलाई विभिन्न आनुवंशिक सर्किटों के साथ जिन्होंने उन रसायनों का पता लगाया और उनका विश्लेषण किया। साथ में, बैक्टीरिया की मिश्रित आबादी एक वितरित कंप्यूटर के रूप में कार्य करती है; कोशिकाओं के विभिन्न सेटों में से प्रत्येक गणना का हिस्सा है, रासायनिक जानकारी को संसाधित करता है और भूलभुलैया को हल करता है।

प्रयोग चलाते हुए, शोधकर्ताओं ने सबसे पहले ई कोलाई 16 टेस्ट ट्यूबों में, प्रत्येक में एक अलग रासायनिक-भूलभुलैया मिश्रण जोड़ा, और बैक्टीरिया को बढ़ने के लिए छोड़ दिया। 48 घंटे के बाद, यदि ई कोलाई भूलभुलैया के माध्यम से कोई स्पष्ट रास्ता नहीं मिला – यानी, यदि आवश्यक रसायन अनुपस्थित थे – तो सिस्टम अंधेरा बना रहा। यदि सही रासायनिक संयोजन मौजूद था, तो संबंधित सर्किट “चालू” हो गए और बैक्टीरिया ने सामूहिक रूप से फ्लोरोसेंट प्रोटीन को पीले, लाल, नीले या गुलाबी रंग में, समाधानों को इंगित करने के लिए व्यक्त किया। बाग कहते हैं, “अगर कोई रास्ता है, एक समाधान है, तो बैक्टीरिया चमकते हैं।”

बैक्टीरिया अनुसंधान छवि को भूल जाते हैं
16 में से चार संभावित भूलभुलैया विन्यास दिखाए गए हैं। बाईं ओर के दो भूलभुलैया शुरू से गंतव्य तक (बाधित/छायांकित वर्गों के कारण) स्पष्ट पथ नहीं हैं, इस प्रकार कोई समाधान नहीं है और सिस्टम अंधेरा है। दाईं ओर दो भूलभुलैया के लिए, स्पष्ट पथ (सफेद वर्ग) हैं, इसलिए ई कोलाई भूलभुलैया सॉल्वर चमकता है – बैक्टीरिया सामूहिक रूप से फ्लोरोसेंट प्रोटीन को व्यक्त करते हैं, जो समाधान का संकेत देते हैं।

कथकली सरकार और संग्राम बाग

बाग को जो विशेष रूप से रोमांचक लगा, वह यह था कि सभी 16 भूलभुलैयाओं का मंथन करते हुए, ई कोलाई भौतिक प्रमाण प्रदान किया कि केवल तीन ही हल करने योग्य थे। “गणितीय समीकरण के साथ इसकी गणना करना सीधा नहीं है,” बाग कहते हैं। “इस प्रयोग के साथ, आप इसे बहुत सरलता से देख सकते हैं।”

बुलंद लक्ष्य

बाग ऐसे जैविक कंप्यूटर की कल्पना करता है जो क्रिप्टोग्राफी या स्टेग्नोग्राफ़ी (सूचना छिपाने की कला और विज्ञान) में मदद करता है, जो भूलभुलैया का उपयोग करने के लिए उपयोग करता है एन्क्रिप्ट तथा छिपाना डेटा, क्रमशः। लेकिन निहितार्थ उन अनुप्रयोगों से परे सिंथेटिक जीव विज्ञान की उच्च महत्वाकांक्षाओं तक फैले हुए हैं।

के विचार संश्लेषित जीव विज्ञान 1960 के दशक की तारीखें, लेकिन 2000 में सिंथेटिक जैविक सर्किट (विशेष रूप से, a .) के निर्माण के साथ यह क्षेत्र ठोस रूप से उभरा गिल्ली टहनी और एक थरथरानवाला) जिसने कोशिकाओं को वांछित यौगिकों का उत्पादन करने या उनके वातावरण में समझदारी से प्रतिक्रिया करने के लिए प्रोग्राम करना संभव बना दिया।

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