Lógica viviente: circuitos biológicos para la mente eléctrica

¿Sabías que puedes construir circuitos fundamentales usando métodos biológicos? Estos no son sus circuitos promedio, pero funcionan como componentes eléctricos comunes. Hablamos mucho sobre los circuitos normales de silicio y cobre aquí, ¡pero es hora de mojarnos y ver qué podemos hacer con el poder de la vida!

En 1703, Gottfried Wilhelm Leibniz publicó su Explicación de la aritmética binaria (traducido). Inspirado por el Mi Ching, un antiguo clásico chino, Leibniz estableció que los principios de la aritmética y la lógica podían combinarse y representarse solo con unos y ceros. Doscientos años después, en 1907, "Audion" de Lee De Forest se utiliza como una puerta AND. Cuarenta años más tarde, en 1947, Brattain y HR Moore muestran su "transistor alemán de contacto de punto PNP" en Bell Labs (a menudo se indica como la fecha de nacimiento del transistor). Seis años más tarde, en 1953, la Universidad de Manchester creó la primera computadora de transistores del mundo. En la actualidad, 13,086,801,423,016,741,282,00001 transistores han construido un mundo de conectividad, automatización y análisis avanzados.

Aunque nunca sabremos cómo se sintieron Fu Hsi, Leibniz, Forest o Moore cuando sentaron las bases del mundo digital que conocemos hoy, no tenemos suerte en absoluto: estamos en medio de nuestra propia revolución creciente, pero esta se enfoca sobre biotecnología. En 1961, Jacob y Monod descubrieron el lak sistema: un análogo biológico al transistor PNP introducido en Bell Labs catorce años antes. En 2000, Gardner, Cantor y Collins crearon un interruptor genético controlado por calor y un bioanálogo de fluido sintético2. Hoy en día, las puertas AND, OR, NOR, NAND y XOR (entre otras) se han demostrado con éxito en laboratorios académicos de todo el mundo.

Pero espere un minuto. Revolución, ¿a quién dices? Los transistores eléctricos pasaron de la invención a las computadoras en 6 años, y los transistores biológicos de la invención al botón del interruptor en 40? Llegaré a los desafíos que enfrentan los circuitos biológicos de manera oportuna, pero es suficiente decir que trabajar con seres vivos que quieren ser comidos y (aparentemente) les gusta morir tiene su propio desafío que no importa. cuando se trabaja con transistores sin vida y sin preocupaciones. Pero, en el espíritu de la piratería, vamos a sumergirnos de inmediato.

Mi primer BioCircuit ™

Siguiendo el modelo de componentes (aunque podría preferirse el modelo de capa de red), pasaré por la construcción de un oscilador simple utilizando componentes electrónicos y métodos biológicos. El objetivo es que finalmente sepas un poco más sobre los circuitos biológicos, en qué consisten, qué pueden hacer y por qué son difíciles de hacer.

ADN / composición física

En electrónica, producimos nuestras piezas (principalmente) a partir de cobre, silicio y epoxi. En biología, las partes básicas son hebras de ADN3. Por lo tanto, si necesita una renovación rápida de ADN, tómela. Pero todos ustedes deber Tenga en cuenta que este artículo es que el ADN codifica información genética.

Lista de piezas: Lógica experta en expresión de proteínas

Para nuestro oscilador, necesitaremos tres puertas inversas. En el mundo electrónico, eso es bastante fácil (como $ 0.06 fácil). Puede hacer puertas lógicas electrónicas de (casi) cualquier cosa y hay innumerables recursos que detallan cada ... complicado ... detalle que cualquier persona sensata querría saber.

El mundo biológico tiene su parte justa de puertas lógicas, algunas de las cuales ya hemos tratado. Apuntaremos al tipo más común: la lógica mediada por la expresión de proteínas. Mediante este método, las concentraciones de proteínas se tratan como una señal y se utilizan de la misma forma que las señales eléctricas. A continuación se muestra una puerta de enlace NO genética, la señal A (una proteína específica para el anunciante o "entrada") evita la salida de la señal B (la proteína para la que se codifica el "gen de interés"). Esto funciona como una puerta NOT tradicional, si la hubiera No señal A, luego produce la señal B. Bueno, funciona casi así como una puerta NOT tradicional. Aquí es donde nos encontramos con uno de los grandes retos a los que se enfrenta la biología sintética: la ortogonalidad.

En lógica eléctrica, generalmente no necesitamos preocuparnos por la ortogonalidad porque podemos conectar la salida de una puerta NOT a lo que queremos (y solo a lo que queremos) a través de cables y / o pistas. En biología, por lo general no tenemos este lujo porque trabajamos en procariotas (células sin núcleo) que se pueden considerar efectivamente como bolsas de sustancias químicas4. Por lo tanto, en lugar de tener enlaces directos de una puerta a otra, solo tenemos una "red de señales". ”" Como parte de nuestra red.

Se descubrieron computadoras con identificadores como direcciones MAC. Por ejemplo, si Bob quiere enviar un mensaje a Sue, podría enviar algo como "FOR: SUE, MESSAGE: HI". Esto funciona muy bien para las computadoras: crean sus propios receptores y transmisores. En código y hardware, puede ser trivial (esa es parte de la razón por la que tenemos tantos estándares de comunicación electrónica) pero, en biología, la ingeniería de proteínas es difícil y requiere tiempo, ingenio y trabajo.

Imagine que pudiera usar solo un tipo de transistor en cada proyecto. Por ejemplo, considere que si utilizó dos 2N3904, enciende y apaga ambos, pero nunca uno se apaga y el otro se enciende. Ahora, imagina que para cada transistor tienes que conectar una computadora a la naturaleza, desmontarla y quitar manualmente todos sus componentes con la esperanza de encontrar un nuevo tipo de transistor. Ciertamente, eso dificultaría la creación de una computadora con 30 mil millones de transistores.

Como tal, casi todos los promotores5 (sitios de entrada, codificados en el ADN) utilizados en la actualidad se descubrieron originalmente en la naturaleza y se adaptaron para uso sintético. Y hemos tenido bastante éxito en esto, con suficientes promotores utilizables que necesitamos un catálogo para clasificarlos a todos6.

Dispositivo construido sin puertas

Ahora, siempre adelante. Intentemos construir un dispositivo con nuestras puertas NO. Y, dado que en realidad solo estamos aquí para aprender conceptos, le mostraré cómo crear un oscilador de anillo. Si está un poco oxidado con su terminología, o ha estado demasiado ocupado para molestarse con una clase de circuito de 100 niveles, no se preocupe. El oscilador de anillo es De Verdad simple, por lo que fue uno de los primeros bio-osciladores creados. Los osciladores de anillo se producen colocando un número impar de inversores (generalmente mayor que 1) en un ciclo (anillo). Vea a continuación para muy genial gif ™ eso debería aclarar dudas sobre cómo funciona. Pero, si las cosas no están claras, Enrique del MITx te respalda.

Ahora para la parte bio. Ya tenemos nuestras puertas NE, así que seguramente podemos juntar tres puertas NE idénticas y terminar con un oscilador, ¿verdad? Bueno, como comentamos anteriormente, necesitaremos usar tres diferente puertas, por lo que las cosas se ven como tres puertas NO en paralelo, más que una serie. Pero, incluso con tres puertas NO diferentes, podríamos tener otro problema: la muerte.

En última instancia, toda nuestra lógica ocurre en una célula al agotar los recursos y producir una proteína "inútil". Y, dependiendo de la naturaleza misma de las células, existe un límite en la cantidad de recursos que tiene una célula. Podemos intentar mejorar el rendimiento efectivo de nuestra célula, pero a veces tenemos que darnos cuenta de que la célula, por codiciosa que sea, tiene que ocuparse de los requisitos básicos de la vida. Sin embargo, no tengas miedo. Nuestro oscilador de tres puertas debe ser sostenible7. Pero, si tuviéramos que probar siete o incluso nueve osciladores de puerta, es posible que tengamos que tener cuidado.

De todos modos, ya es suficiente. Juntamos nuestras secuencias de ADN, las introducimos en una célula y ahora esperamos que crezcan8. Usamos GFP (un GRAMOespalda Fluoreska PAGrotein) como una de nuestras "señales" para que podamos visualizar nuestra señal (tal como uno usaría un LED para ver una señal digital).

Y nada. Primero. Después de unos 160 minutos nuestras células brillan. Como los osciladores de anillo electrónicos, nuestra frecuencia depende del tiempo de retardo de cada puerta NOT. En contextos eléctricos, esto nos da frecuencias generalmente dentro o por encima del rango de kHz. En biología, trabajamos muy rápido 1 × 10[-4] Hz con un período de ~ 160 minutos. De nuevo, otra diferencia extrema entre circuitos biológicos y eléctricos.

Prácticamente / Por qué te importaría

Bueno, yo sé lo que parece. La lógica biológica está subdesarrollada, lenta y limitada por la vida. ¡Pero hay armonía! Lo que le falta a la biología, lo compensa de formas inconmensurables. Después de todo, estamos hechos de células, no de silicio.

Desde la regulación de la expresión transgénica para la medicina regenerativa hasta un integrador personalizable de dos afirmaciones para atacar las células cancerosas, la lógica celular tiene la oportunidad de cambiar la forma en que pensamos sobre cómo debería funcionar la medicina, qué pensamos que es la vida y si una planta debería brillar o no. Tienes que tener cuidado porque es frio es nuevo y tiene la oportunidad de ayudar muchos de la gente. Somos leñadores. Siempre hemos estado a la vanguardia de la tecnología niko, y solo porque estas cosas difíciles no necesitan cambiar. ¡Haz ni ekhaku!

Realmente disfruto escribiendo sobre biología sintética, como habrás adivinado, así que avísame si hay algún tema que les gustaría conocer. ¿Serían un buen punto de partida unos pocos artículos “iniciales” sobre, bueno, iniciarse en biología sintética con procedimientos viables?

Notas

[1] Calculado por las cifras del artículo de Forbes "¿Cuántos transistores se han enviado alguna vez?". Aunque tengo poca fe en este artículo, estoy dispuesto a creer que la figura presentada es correcta al menos en algunos tamaños. Independientemente, el número exacto es menos importante que la impresión general muchos los transistores nos rodean hoy.

[2] Específicamente, el E. coli fue controlado por isopropil β-D-1-tiogalactopiranósido (IPTG) que es una imitación molecular de la alolactosa, un metabolito de lactosa. El IPTG se utiliza porque, a diferencia de la alolactosa, el IPTG no es hidrolizable por la β-galactosidasa, por lo que su concentración permanece constante porque no se degrada tan fácilmente.

[3] De acuerdo, sí: el ADN está formado por nucleótidos, pero el cobre está formado por átomos y tenemos que detenernos en alguna parte. En nuestro contexto actual, tiene sentido detenerse en el ADN, pero en otros contextos, como la síntesis de ADN, el ADN obviamente no es la unidad básica.

[4] Decir que las células son simplemente "bolsas de sustancias químicas" es una burda simplificación análoga a llamar a nuestros cuerpos simplemente "piel con cosas adentro". Técnicamente cierto, pero no muy descriptivo. Lo que estoy tratando de golpear aquí es que las células están (1) conectadas por una membrana, que son (2) un sistema de transmisores y receptores y que (3) tienen una velocidad limitada a la que pueden absorber / deportar cosas. Esta metáfora facilita la visualización de estos atributos, así que la elegí en el espíritu de Upaya (donde algo puede no ser "verdadero" en el sentido más elevado, pero puede ser una práctica apropiada). Para obtener una representación más precisa de las células, consulte este libro galardonado: Cells, Gels, and the Motors of Life.

[5] A lo largo de este artículo, utilizo Anunciante como una frase amplia, para referirme a Opresores y Anunciantes por dos razones: simplicidad y para evitar el uso constante de promotores / opresores a lo largo del artículo, promotor ya es una palabra bastante larga.

[6] Lo más cierto es que, si no todos estos promotores se caracterizan por E. coli. Pero con E. coli estante el caballo de batalla de la biología sintética, esto no suele ser un problema.

[7] Por sostenible, me refiero a que la célula no muere por la expresión de las proteínas que necesitamos para nuestro circuito. Aunque lo hice No significa que el producto sería sostenible durante largos períodos de tiempo. A medida que pasa el tiempo, nuestro sistema se descompondrá, eventualmente obtendremos una expresión débil de las 3 proteínas en nuestro sistema. Bueno, así es la vida en la ciudad.

[8] No me gusta el hecho de que avancé rápidamente en este proceso. El proceso de preparar ADN (sin mencionar la preparación / diseño del ADN) y forzar a las células a expresar su ADN es un cubo de gusanos mucho más grande. Fácilmente podría ser otro artículo (o conjunto de artículos). (Parpadeo parpadeo)

  • Kaliin dice:

    Pensé que el “biocircuito” es solo una cosa de trabajo, difícil de hacer en casa, así que sí, ¡genial sí para comenzar artículos!

  • Ostraco dice:

    "[4] Decir que las células son simplemente "bolsas de sustancias químicas" es una burda simplificación análoga a llamar a nuestros cuerpos simplemente "piel con cosas adentro". "

    "Feas bolsas de principalmente agua"

    • Steven dice:

      "Suelo casero"

    • Abadía de Darren dice:

      Como biólogo, estoy de acuerdo en que describir las células como "bolsas de productos químicos" es totalmente apropiado.

  • Jennifer G. dice:

    ¡Fascinación! Gracias por el gran artículo.

  • Tom Walton dice:

    Sí, lindo tío con comer y dormir y lo que sea ... ¡sigue con los siguientes artículos!

    • Marc U dice:

      ¡Totalmente de acuerdo!
      La biología sintética carece de artículos prácticos "iniciales"

  • Adobe / Flash Hate dice:

    La naturaleza ha tenido un interruptor de movimiento de temperatura durante bastante tiempo.
    ¡A menudo me he preguntado (medio en serio) si esto tiene algún vínculo evolutivo antiguo con las batallas termostáticas entre hombres y mujeres (humanos)! 😉
    http://articles.chicagotribune.com/1986-06-29/news/8602160365_1_eggs-alligator-hatched

    https://en.wikipedia.org/wiki/Temperature-dependent_sex_determination

  • LonC dice:

    Sí, una guía / artículo inicial estaría bien. Sin embargo, para obtener algo realmente útil, es necesario tener (o vincular) una lista con los proveedores para obtener todo lo necesario (puntos de bonificación por asequibilidad / precio y facilidad de acceso). Especialmente considerando las bases de lectura globales pirateadas. Entonces se necesitarían listas para varios continentes.
    ¡ESO sería realmente útil!

    Si funciona mucho para el autor de un artículo, se trata de convertirlo en un proyecto comunitario (p. Ej., Proyecto la-tecnologia.io) para mejorar el conocimiento de la comunidad.
    En un mundo físico, el conocimiento es solo la mitad de las cosas necesarias para crear un objeto físico. El resto es materia. Detenga una cosa específica en este caso.

    Bueno, creo que tienes la esencia.

  • Roelh dice:

    Un artículo realmente interesante sobre la construcción de circuitos fundamentales utilizando métodos biológicos.

    Veo similitudes con un programa de simulación que creé. Es una simulación 3D en tiempo real de hipotéticas células cerebrales.
    La simulación funciona dentro de su navegador Chrome (necesita una GPU potente en su computadora).

    Puede crear celdas y crear vínculos entre esas celdas. Las células también pueden realizar instrucciones que cambian las conexiones entre las células y alteran las sustancias químicas (neurotransmisores) en las células. Solo hay 3 tipos de instrucciones.

    Puede programar las células para que realicen cualquier función, como una computadora. Los ejemplos muestran la generación de movimientos de ajedrez y una calculadora que suma números. El proyecto se llama NeuronZoo.

    Consulte http://www.neuronzoo.com o la-tecnologia.io/project/19287-neuronzoo

  • mpclauser dice:

    Bueno, una cosa me dejó este artículo, ¿cómo se apaga una señal? Entiendo que la presencia de una proteína determinada detiene la PRODUCCIÓN de otra proteína, todo lo que se produce todavía está en solución, ¿no? ¿Las proteínas se descomponen allí mismo? ¿Existe control de la producción de enzimas para destruirlos?
    tal vez mi lógica sea defectuosa, pero si la presencia de una proteína es análoga a un "in" lógico, entonces la producción de esa proteína es suficiente para producir ese estado, pero ¿qué causa el cese de la proteína, solo porque ha dejado de ser? producido?

    • Michael Uttmark dice:

      Tiene un buen punto: las proteínas expresadas deben "desaparecer" para que la señal baje. Las proteínas pueden tener una vida muy larga (~ un mes o más) o tener una vida rápida y furiosa (~ 11 minutos). Hay muchos factores que pueden influir en su descomposición, algunos de ellos activos (por ejemplo, la célula descompone la proteína intencionalmente) y otros son pasivos (por ejemplo, daño oxidativo). La mayoría de los factores dependen de la estabilidad de las proteínas producidas (influenciadas por la falta de mediadores estabilizadores, entre otros), por lo que la tasa de caída se puede establecer de acuerdo con la aplicación prevista. Más lectura si lo desea: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22600/#_A3198_ https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3008417/ https: / /www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3625778/

    • iu dice:

      haces las preguntas correctas

      El artículo indica la siguiente reacción en el primer ejemplo:

      este sitio web de ADN [+ omitted transcription reagents] -> este sitio de ADN + SignalB
      SignalA + thisDNAsite -> thisDNAsiteInhibitedBySignalA

      Prácticamente la mayoría de las reacciones químicas ocurren en ambas direcciones (pero a menudo con velocidades de reacción muy diferentes).
      así que también hay:

      thisDNAsiteInhibitedBySignalA -> SignalA + thisDNAsite

      por lo que SignalA a veces se adhiere y se desprende del promotor inhibidor.

      Como respondió Michael, hay reacciones que también destruirían la Señal A.

      SeñalA + [omitted reagents] -> Desglose de productos

      'si la presencia de una proteína es análoga a una' ignición 'lógica, exactamente: (excepto para los sitios específicos del ADN) los reactivos usualmente toman números de reacción >> 1 para una vacuola o célula. Entonces, las redes reguladoras de genes de lógica booleana son descripciones heurísticas de la función. La analogía con la electrónica analógica es más precisa que la analogía con los circuitos booleanos. Considere las siguientes reacciones:

      1: sitio de ADN + […] -> DNAsite + SignalOut
      2: Sitio de ADN de SignalA + este sitio de ADN prohibido (tenga en cuenta la flecha doble)
      3: SeñalA + SeñalB -> SeñalC

      y las siguientes reacciones de desintegración (moderadamente lentas):
      4: SignalC -> colapsar productos
      5: SignalOut-> productos defectuosos

      si una reacción constante de [3] es mucho más lento que los de [1] y [2] entonces SignalOut = NOT (SignalA) y una descripción booleana son fieles.

      si una reacción constante de [3] es mucho más rápido que los de [1] y [2], entonces SignalOut = NOT (CMP (+ SignalA-SignalB) = CMP (+ SignalB-SignalA), donde CMP es un comparador analógico: es decir, para valores de concentración nebulosos de SignalB y SignalA, alguna concentración común reacciona a SignalC, y permanecen o solo SignalA o SignalB. Esto muestra cómo la cinética de reacción (constantes de velocidad) puede modificar completamente la función de esquemas de reacción idénticos (donde las constantes de reacción son desconocidas), es decir, omitir (o no saber, no medir, no tener acceso a una base de datos de ) las velocidades de reacción nos dejan en la oscuridad si SignalB es como una puerta NOT booleana, o si es como un comparador analógico CMP.

      La teoría y el software para modelar tales reacciones han sido escritos e implementados de forma independiente cientos de veces por varios grupos (mire, por ejemplo, el algoritmo de Gillespie), pero son bastante inútiles sin una base de datos abierta de cinética de reacción efectiva (que es valiosa y costosa para determinar la información). ).

      Así como no es necesario medir los valores de los componentes en un circuito, estas reacciones deben reproducirse in vitro para poder determinar sus velocidades de reacción constantes. Entonces podemos simular fielmente gran parte del comportamiento celular (con la teoría y el software que han existido durante décadas).

      Para cimentar mejor la analogía entre la electrónica analógica y las reacciones, tal vez un conjunto completo de 2 columnas, donde cada fila es un concepto, sería útil para la comunicación interdisciplinaria entre la electrónica analógica y los bioquímicos.

      por ejemplo
      bioquímica - electrónica
      reactor - conductor / red
      reacción - ero
      ...

      @ Michael: Maravilloso artículo, felicitaciones

      • mpclauser dice:

        gracias a ambos por la información añadida.
        Supongo que la simplificación excesiva sería un circuito digital con condensadores grandes y locos entre las puertas (por lo que hay un gran retraso entre la salida y la entrada relacionada, pero finalmente llega allí).
        y una simplificación excesiva de la bioquímica sería la histeriaemia regular con sitios de reacción fuertemente involucrados en moléculas gigantes relativamente inactivas, por lo que la forma juega una reacción importante.

  • Cuerpo digital dice:

    ¡POR FAVOR deje de publicar artículos completos en la página principal sin descanso! Me hace dejar de leer HaD 🙁

  • Un dron dice:

    Puedes construir IU dando suficientes puertas NAND ...

  • Teg dice:

    ¿Los pulpos realmente tienen nueve cerebros separados?

    • Abadía de Darren dice:

      En general, creo que tienen un cerebro anular central, con ganglios parcialmente autónomos dentro de cada brazo.

Joel Carrasco
Joel Carrasco

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