บล็อก LEGO สามารถเชื่อมต่อด้วยตนเองด้วยวิธีที่กำหนดเพื่อสร้างโครงสร้างที่ซับซ้อน จะเกิดอะไรขึ้นถ้าเราสามารถออกแบบโครงสร้างเหมือนเลโก้ที่มีชีวิตซึ่งสามารถจำลองตัวเองและเคลื่อนที่ไปรอบๆ ได้ และสามารถตั้งโปรแกรมให้เติบโตและประกอบตัวเองเป็นรูปร่างเป้าหมายที่ต้องการได้
ทีมวิจัยสหวิทยาการซึ่งนำโดยศาสตราจารย์Jörn Dunkel ของ MIT และ Ingmar Riedel-Kruse แห่งมหาวิทยาลัยแอริโซนา ได้พัฒนาแพลตฟอร์มทฤษฎีการทดลองที่เข้าใกล้เป้าหมายนี้มากขึ้นไปอีกขั้น การใช้แบคทีเรียดัดแปลงพันธุกรรมและการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ พวกมันสามารถตั้งโปรแกรมระบบแบคทีเรียให้เติบโตเป็นโครงสร้างเป้าหมายสองมิติตามอำเภอใจ
ห้องปฏิบัติการ Riedel-Kruse ได้สร้างกล่องเครื่องมือวิศวกรรมชีวภาพที่ช่วยให้ควบคุมคุณสมบัติการยึดเกาะระหว่างเซลล์กับเซลล์ของเซลล์แบคทีเรียที่เคลื่อนที่ได้ แบคทีเรียดัดแปลงพันธุกรรมจะเติบโตโมเลกุลบางตัวบนผนังเซลล์ของพวกมัน ซึ่งทำหน้าที่เป็นสถานีเทียบท่าสำหรับเซลล์คู่ที่เหมาะสม เฉพาะเซลล์ที่มีโมเลกุลที่ตรงกันเท่านั้นที่สามารถเกาะติดกันได้ ในขณะที่เซลล์ที่มีโมเลกุลที่ไม่ตรงกันจะเลื่อนผ่านกันและกัน หลังจากเพาะเชื้อแบคทีเรียจำนวนเล็กน้อยในตำแหน่งต่างๆ บนผิวสารอาหาร 2 มิติ เซลล์จะเติบโต แบ่งตัว และเคลื่อนที่ไปรอบๆ เมื่อประชากรเซลล์สองกลุ่มที่มีโมเลกุลการยึดเกาะที่ตรงกันชนกัน พวกมันจะสร้างส่วนต่อประสานที่เป็นของแข็งที่มองเห็นได้ ซึ่งตำแหน่งและรูปร่างถูกกำหนดโดยตำแหน่งการเพาะเริ่มต้นและความเข้มข้นของเซลล์
นักวิจัยต้องการสร้างรูปแบบเป้าหมายที่ซับซ้อนโดยใช้กล่องเครื่องมือวิศวกรรมชีวภาพอเนกประสงค์ เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ ทีมงานจำเป็นต้องทำความเข้าใจ: จำเป็นต้องมีเซลล์ประเภทต่าง ๆ กี่ประเภทจึงจะเกิดรูปแบบอินเทอร์เฟซตามอำเภอใจได้ ต้องออกแบบกฎปฏิสัมพันธ์ระหว่างกันอย่างไร? เงื่อนไขการเพาะที่ถูกต้องเพื่อให้ได้โครงสร้าง 2D ที่ต้องการคืออะไร
เพื่อตอบคำถามเหล่านี้ Dunkel และนักศึกษาปริญญาเอก Dominic Skinner ซึ่งปัจจุบันเป็น NSF-Simons Postdoctoral Fellow ที่ Northwestern University ได้พยายามสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่จะช่วยให้พวกเขาสามารถจำลองการเติบโตและพลวัตของฝูงแบคทีเรีย และทำนายการก่อตัวของ รูปแบบอินเทอร์เฟซ
Dunkel กล่าวว่า “การทำการทดลองแบบลองผิดลองถูกมีราคาแพงมากและใช้เวลานาน” “ดังนั้น โดมินิกจึงพัฒนาและใช้งานแบบจำลองที่สามารถทำนายผลลัพธ์ที่คาดหวังได้ภายในไม่กี่นาที”
สกินเนอร์เปรียบเสมือนแบคทีเรียที่ตั้งโปรแกรมไว้กับเลโก้ที่มีชีวิต “ห้องทดลองของ Ingmar กำลังสร้างองค์ประกอบทางชีววิทยา และเรากำลังสร้างคู่มือด้วยแบบจำลองของเรา” เขากล่าว “ห้องทดลองของเขาจัดวางแบคทีเรียในจุดที่เหมาะสม — พวกมันจับกลุ่ม แบ่งตัว และสร้างรูปร่างเป้าหมายที่ต้องการร่วมกัน”
Dunkel กล่าวเสริมว่า “ระบบการทดลองที่เป็นเอกลักษณ์เหล่านี้ทำให้สามารถสำรวจคำถามทางชีววิทยาพื้นฐานจำนวนหนึ่งได้: เซลล์จำนวนเท่าใดที่มีความจำเป็นต่อการเติบโตของรูปแบบบางอย่าง? ข้อมูลจำเป็นต้องเข้ารหัสใน DNA มากเพียงใดเพื่อให้ได้ระดับความซับซ้อนของโครงสร้างในระดับหนึ่ง อะไรควบคุมรูปร่างที่โผล่ออกมา? ข้อตกลงที่ดีระหว่างการทดลองและการทำนายแบบจำลองช่วยให้เราสามารถศึกษาคำถามเหล่านี้โดยใช้การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ด้วยต้นทุนที่ต่ำมาก”
นอกเหนือจากนี้ งานวิจัยยังเสนอให้ใช้งานจริงโดยตรงในการออกแบบวัสดุชีวภาพ
บทความวิจัยของพวกเขา “ตรรกะการยึดเกาะ 4 บิตช่วยให้สามารถสร้างรูปแบบอินเทอร์เฟซหลายเซลล์แบบสากล” ได้บนหน้าปกของNature
Dunkel กล่าวว่า “ในรายงานของเรา เราได้จัดเตรียมการพิสูจน์แนวคิดของแผ่นยางยืดที่ปลูกเองและโครงสร้างช่องที่สามารถขนส่งหยดของเหลวไปยังสถานที่ที่ต้องการได้ “แอปพลิเคชั่นอื่นคือไบโอเซนเซอร์ – โดยพื้นฐานแล้วแบคทีเรียเขียนข้อความที่มนุษย์อ่านได้เมื่อสัมผัสถึงโมเลกุลในสภาพแวดล้อมของพวกเขา”
ในขั้นตอนต่อไป ทีมงานวางแผนที่จะปลูกโครงสร้างสามมิติ และเพิ่มฟังก์ชันการทำงานเพิ่มเติมให้กับแบคทีเรีย เช่น ความสามารถในการผลิตสารเคมีบางชนิดในสถานที่ที่ต้องการ
ผู้เขียนคนแรกของงานนี้คือ Honesty Kim; ผู้เขียนร่วมคนอื่นๆ ได้แก่ David Glass, Alexander Hamby และ Bradey Stuart ทั้งหมดอยู่ในหรืออยู่กับห้องปฏิบัติการ Riedel-Kruse
งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิ Alfred P. Sloan และมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ
