MIT ดัดแปลงพันธุกรรมแบคทีเรีย ทำหน้าที่สวิตช์รับส่งข้อมูล ปูทางสู่การสร้างเซนเซอร์อัจฉริยะ ที่ช่วยเคลือบใบพืชหน้าแล้ง และ สู้ศัตรูพืช

แผงวงจรที่ถูกพิมพ์ลงบนจานเพาะเชื้อ (Petri Dish) แล้วค่อย ๆ เติบโตขึ้นเองภายในหนึ่งสัปดาห์ ฟังดูเหมือนการทดลองที่หลงมาผิดสาขา แต่ทีมวิศวกรจาก MIT ทำได้สำเร็จแล้ว ด้วยการดัดแปลงเซลล์แบคทีเรียให้ทำหน้าที่แทนทรานซิสเตอร์ (Transistor) ซึ่งเป็นชิ้นส่วนพื้นฐานที่สุดในคอมพิวเตอร์ทุกเครื่องบนโลก

ทีมวิจัยจากภาควิชาวิศวกรรมชีวภาพ MIT เผยแพร่ผลงานชิ้นนี้ในวารสาร Nature Chemical Biology โดยออกแบบแบคทีเรียขึ้นมา 5 สายพันธุ์ แบ่งเป็นทรานซิสเตอร์ 2 แบบ และตัวส่งต่อสัญญาณ (Relay) อีก 3 แบบ เมื่อนำมาเรียงต่อกันบนวุ้นเลี้ยงเชื้อ กลุ่มเซลล์เหล่านี้จะกลายเป็น 'แผงวงจรมีชีวิต' ที่คำนวณงานตรรกะได้ ตั้งแต่การบวกเลขสองตัว ไปจนถึงการส่งสัญญาณหนึ่งชุดไปยังจุดหมายที่เจาะจงในวงจร

ในวงจรไฟฟ้า ทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ที่เปิดหรือปิดกระแสไฟ ส่วนในวงจรชีวภาพที่ทีมนี้สร้างขึ้น สวิตช์ของแบคทีเรียจะควบคุมการไหลของโมเลกุลขนาดเล็กแทน โดยโมเลกุลเหล่านั้นทำหน้าที่ส่งสัญญาณต่อไปยังส่วนอื่นของวงจรที่อยู่ถัดไป

"เราสร้างชิ้นส่วนสถาปัตยกรรมคอมพิวเตอร์พื้นฐานที่ใช้กันทั่วไปขึ้นมาได้แล้วบางส่วน แต่ทุกการทำงานสามารถสร้างขึ้นได้จาก 5 สายพันธุ์นี้" 

Hamid Doosthosseini นักวิจัยหลังปริญญาเอกของ MIT และผู้เขียนหลักของงานวิจัยชิ้นนี้อธิบาย

ทำไมต้องกระจายวงจรออกไปหลายเซลล์ แทนที่จะยัดทุกอย่างลงเซลล์เดียว?

แนวทางเดิมของงานวงจรชีววิทยาสังเคราะห์ (Synthetic Biology) คือการดัดแปลงเซลล์ให้ผลิตโปรตีนและโปรตีนควบคุมการถอดรหัสพันธุกรรม (Transcription Factor) ที่ทำงานร่วมกันเพื่อทำภารกิจอย่างใดอย่างหนึ่ง เช่น ตรวจจับโมเลกุลเป้าหมายแล้วสั่งให้เซลล์ผลิตผลลัพธ์ที่ต้องการออกมา

วิธีนี้ทำงานตรรกะได้หลายรูปแบบ แต่ติดข้อจำกัดสำคัญสองข้อ ข้อแรกคือแต่ละวงจรต้องใช้โปรตีนควบคุมการถอดรหัสที่ไม่ซ้ำกัน เพื่อไม่ให้เกิดสัญญาณรบกวนข้ามกัน (Crosstalk) ภายในวงจรเดียวกัน และโปรตีนกลุ่มนี้ที่ใช้งานได้จริงมีจำนวนจำกัด ข้อที่สองคือการอัดวงจรจำนวนมากลงในเซลล์เดียวจะทำให้ระบบผลิตโปรตีนของเซลล์ทำงานหนักเกินไป ความซับซ้อนของวงจรจึงตันอยู่ที่ระดับหนึ่ง

ทีม MIT จึงเปลี่ยนโจทย์ใหม่ แทนที่จะสร้างวงจรทั้งชุดลงในเซลล์เดียว พวกเขาออกแบบให้แต่ละเซลล์เป็นเพียงทรานซิสเตอร์ตัวหนึ่ง แล้วนำทรานซิสเตอร์เหล่านั้นมาประกอบกันในรูปแบบต่าง ๆ เพื่อสร้างวงจรที่หลากหลาย ซึ่งเป็นวิธีเดียวกับที่วิศวกรอิเล็กทรอนิกส์ทำกับชิ้นส่วนบนแผงวงจร (Circuit Board)

สองสวิตช์ สามตัวส่งต่อ และโมเลกุลที่ทำหน้าที่แทนกระแสไฟ

แบคทีเรียที่ทีมเลือกใช้คือ Pantoea agglomerans ซึ่งเติบโตบนพื้นผิวได้ดี รวมถึงพื้นผิวของพืช จากเซลล์ชนิดนี้ พวกเขาสร้างทรานซิสเตอร์ขึ้นมา 2 แบบ ที่เปิดหรือปิดได้ด้วยโมเลกุลชื่อ OC-6 แบบหนึ่งจะถูกเปิดเมื่อได้รับสัญญาณนี้ ส่วนอีกแบบจะถูกปิดลง

นอกจากสวิตช์แล้ว ทรานซิสเตอร์ทั้งสองแบบยังตรวจจับโมเลกุลเป้าหมายอีกตัวคือ OC-12 ได้ด้วย ผลลัพธ์จึงขึ้นอยู่กับสองเงื่อนไขประกอบกัน คือ 'มีโมเลกุลเป้าหมายอยู่หรือไม่' และ 'สวิตช์กำลังทำงานอยู่หรือไม่' ถ้าเงื่อนไขครบ เซลล์จะปล่อยโมเลกุลผลลัพธ์ชื่อ OHC-14 ออกมา

ปัญหาถัดไปคือการเดินสาย ทีมวิจัยแก้ด้วยแบคทีเรียอีก 3 สายพันธุ์ที่ทำหน้าที่เป็นตัวส่งต่อสัญญาณ คอยแปลงสัญญาณ OHC-14 ให้กลายเป็นผลลัพธ์ที่ป้อนเข้าทรานซิสเตอร์ตัวถัดไปได้ เมื่อมีตัวส่งต่อครบชุด การ 'เดินสาย' ระหว่างทรานซิสเตอร์จึงทำได้เหมือนแผงวงจรอิเล็กทรอนิกส์จริง ๆ

ตัวอย่างที่ทีมสาธิตให้เห็นคือสวิตช์สองทาง ที่ใช้ทรานซิสเตอร์สองตัวคอยตรวจจับ OC-12 แล้วส่งข้อมูลไปยังตัวส่งต่อสัญญาณที่ต่างกัน ขึ้นอยู่กับว่าสวิตช์ได้รับสัญญาณอะไร ก่อนป้อนเข้าทรานซิสเตอร์ชุดถัดไปเพื่อประมวลผลต่อ

ระยะห่าง 5 มิลลิเมตร คือกติกาที่บังคับให้สัญญาณเดินทางทางเดียว

วิธีสร้างวงจรของทีมนี้คือการพิมพ์โคโลนีแบคทีเรียลงบนจานที่มีวุ้นเลี้ยงเชื้อ โดยใช้เครื่องหยอดของเหลวด้วยคลื่นเสียง (Acoustic Liquid Handler) จัดตำแหน่งแต่ละโคโลนีให้ห่างกันราว 5 มิลลิเมตร

ระยะห่างนี้ไม่ใช่เรื่องบังเอิญ เพราะมันทำให้สัญญาณโมเลกุลแพร่ไปถึงเฉพาะโคโลนีที่อยู่ใกล้ที่สุด แล้วโคโลนีนั้นจะส่งต่อไปยังตัวถัดไปอีกทอด ผลคือข้อมูลไหลไปในทิศทางเดียวตามที่ออกแบบไว้ ไม่ย้อนกลับหรือกระจายมั่ว จุดที่น่าสนใจอีกอย่างคือการเปลี่ยนการทำงานของวงจรทำได้ด้วยการเปลี่ยนรูปแบบการวางโคโลนีเท่านั้น ไม่ต้องแก้ไขพันธุกรรมของแบคทีเรียใหม่

วงจรใหญ่สุด 24 โคโลนี ใช้เวลาคำนวณ 8 ชั่วโมงต่อครั้ง

จากชิ้นส่วนทั้ง 5 สายพันธุ์ ทีมวิจัยประกอบวงจรได้หลายรูปแบบ ทั้งเกตตรรกะ (Logic Gate) แบบ OR และ IMPLY วงจรบวกเลขสองตัว ระบบประมวลผลหลายสัญญาณ และวงจรกระจายสัญญาณ (Demultiplexer) ที่รับสัญญาณเข้ามาหนึ่งชุด แล้วส่งไปยังจุดหมายปลายทางที่ต่างกัน ขึ้นอยู่กับสัญญาณควบคุม

วงจรที่ใหญ่ที่สุดในงานวิจัยชิ้นนี้ทำหน้าที่บวกค่าอินพุตสองตัวเข้าด้วยกัน ประกอบด้วยโคโลนีแบคทีเรีย 24 กลุ่มที่เชื่อมต่อกันผ่านการสื่อสารด้วยสารเคมี

ข้อแลกเปลี่ยนคือความเร็ว วงจรชนิดนี้ใช้เวลาราว 8 ชั่วโมงต่อการคำนวณหนึ่งครั้ง ซึ่งช้ากว่าวงจรอิเล็กทรอนิกส์มหาศาล แต่ทีมวิจัยมองว่าเหมาะสมแล้วสำหรับงานทางชีววิทยา

"งานชิ้นนี้แสดงให้เห็นว่าเราขยับไปสู่ฟังก์ชันที่ซับซ้อนขึ้นได้ ด้วยการเชื่อมฟังก์ชันง่าย ๆ ในเซลล์แต่ละตัวเข้าด้วยกัน ในแง่การคำนวณแล้ว ไม่มีอะไรที่ iPhone ของคุณทำได้แต่วงจรเหล่านี้ทำไม่ได้" 

Christopher Voigt หัวหน้าภาควิชาวิศวกรรมชีวภาพ MIT และผู้เขียนอาวุโสของงานวิจัยระบุ

ปลายทางที่ทีมวิจัยเล็งไว้คือรากพืช ไม่ใช่โต๊ะทำงาน

เป้าหมายระยะยาวของทีมไม่ใช่การแข่งกับซิลิคอน แต่คือการนำความสามารถในการคำนวณไปฝังไว้ในสิ่งมีชีวิต โดยหวังพัฒนาวงจรที่เคลือบอยู่บนใบหรือรากของพืช เพื่อตรวจจับและตอบสนองต่อสภาพแวดล้อม เช่น ภาวะแล้งหรือการเข้าทำลายของแมลงศัตรูพืช

ถ้าพัฒนาไปถึงการใช้งานจริงในภาคเกษตร วงจรแบบนี้จะถูกนำไปใช้กับรากพืชเพื่อตรวจจับความเครียดหลายรูปแบบ และเมื่อตรวจพบสัญญาณที่กำหนดไว้ ก็จะสั่งให้เกิดการตอบสนอง เช่น การสังเคราะห์สารกำจัดเชื้อรา ขึ้นมาในจุดนั้นเลย

"เราไม่ได้พยายามจะแทนที่คอมพิวเตอร์ แต่ต้องการใส่การควบคุมเชิงการคำนวณเข้าไปในชีววิทยา ถ้ามีแบคทีเรียอยู่ที่รากของพืช หรือตัวพืชเองเป็นผู้คำนวณ การรันการคำนวณง่าย ๆ ข้ามคืนก็เร็วพอแล้วเมื่อเทียบกับหนึ่งฤดูเพาะปลูก" 

Christopher อธิบายถึงเหตุผลที่ความเร็วระดับ 8 ชั่วโมงไม่ใช่ปัญหา

งานวิจัยชิ้นนี้ยังอยู่ในระดับห้องปฏิบัติการ ยังไม่มีการนำไปใช้ในแปลงเกษตรจริง โดยเผยแพร่ในวารสาร Nature Chemical Biology และได้รับการสนับสนุนจากหน่วยงานวิจัยของสหรัฐอเมริกาสองแห่ง คือ Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) และ Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) ผู้เขียนอีกคนของงานวิจัยคือ คุณ Haorong Chen อดีตนักวิจัยหลังปริญญาเอกของ MIT

ที่มา: MIT News, Nature Chemical Biology