Bringing together concepts from electrical engineering and bioengineering tools, Technion and MIT scientists collaborated to produce cells engineered to compute sophisticated functions – “biocomputers” of sorts.
Graduate students and researchers from Technion – Israel Institute of Technology Professor Ramez Daniel’s Laboratory for Synthetic Biology & Bioelectronics worked together with Professor Ron Weiss from the Massachusetts Institute of Technology to create genetic “devices” designed to perform computations like artificial neural circuits. Their results were recently published in Nature Communications.
How To Do
The genetic material was inserted into the bacterial cell in the form of a plasmid: a relatively short DNA molecule that remains separate from the bacteria’s “natural” genome.
Plasmids also exist in nature, and serve various functions. The research group designed the plasmid’s genetic sequence to function as a simple computer, or more specifically, a simple artificial neural network. This was done by means of several genes on the plasmid regulating each other’s activation and deactivation according to outside stimuli. But
Where is The Computer Now?
At its most basic level, a computer consists of 0s and 1s, of switches. Operations are performed on these switches: summing them, picking the maximal or minimal value between them, etc. More advanced operations rely on the basic ones, allowing a computer to play chess or fly a rocket to the moon.
In the electronic computers we know, the 0/1 switches take the form of transistors. But our cells are also computers, of a different sort. There, the presence or absence of a molecule can act as a switch. Genes activate, trigger or suppress other genes, forming, modifying, or removing molecules.
Synthetic biology aims (among other goals) to harness these processes, to synthesize the switches and program the genes that would make a bacterial cell perform complex tasks. Cells are naturally equipped to sense chemicals and to produce organic molecules. Being able to “computerize” these processes within the cell could have major implications for biomanufacturing and have multiple medical applications.
Train the Bacteria
The Ph.D students (now doctors) Luna Rizik and Loai Danial, together with Dr. Mouna Habib, under the guidance of Prof. Ramez Daniel from the Faculty of Biomedical Engineering at the Technion, and in collaboration with Prof. Ron Weiss from the Synthetic Biology Center, MIT, were inspired by how artificial neural networks function.
They created synthetic computation circuits by combining existing genetic “parts,” or engineered genes, in novel ways, and implemented concepts from neuromorphic electronics into bacterial cells. The result was the creation of bacterial cells that can be trained using artificial intelligence algorithms.
Deliver Medicine
The group were able to create flexible bacterial cells that can be dynamically reprogrammed to switch between reporting whether at least one of a test chemicals, or two, are present (that is, the cells were able to switch between performing the OR and the AND functions).
Cells that can change their programming dynamically are capable of performing different operations under different conditions. Indeed, our cells do this naturally.
Being able to create and control this process paves the way for more complex programming, making the engineered cells suitable for more advanced tasks. Artificial Intelligence algorithms allowed the scientists to produce the required genetic modifications to the bacterial cells at a significantly reduced time and cost.
Going further, the group made use of another natural property of living cells: they are capable of responding to gradients. Using artificial intelligence algorithms, the group succeeded in harnessing this natural ability to make an analog-to-digital converter – a cell capable of reporting whether the concentration of a particular molecule is “low”, “medium”, or “high.”
Such a sensor could be used to deliver the correct dosage of medicaments, including cancer immunotherapy and diabetes drugs.
Deutsch
Technion und MIT-Wissenschaftler führten Konzepte aus der Elektrotechnik und Bioengineering-Tools zusammen, um Zellen herzustellen, die für die Berechnung anspruchsvoller Funktionen entwickelt wurden – eine Art „Biocomputer“.
Doktoranden und Forscher des Technion – Israel Institute of Technology, Professor Ramez Daniels Laboratory for Synthetic Biology & Bioelectronics, arbeiteten mit Professor Ron Weiss vom Massachusetts Institute of Technology zusammen, um genetische „Geräte“ zu entwickeln, die zur Durchführung von Berechnungen wie künstlichen neuronalen Schaltkreisen entwickelt wurden. Ihre Ergebnisse wurden kürzlich in Nature Communications veröffentlicht.
Wie geht das?
Das Erbgut wurde in Form eines Plasmids in die Bakterienzelle eingebracht: ein relativ kurzes DNA-Molekül, das vom „natürlichen“ Genom der Bakterien getrennt bleibt.
Plasmide kommen auch in der Natur vor und erfüllen verschiedene Funktionen. Die Forschungsgruppe entwarf die genetische Sequenz des Plasmids so, dass sie als einfacher Computer oder genauer gesagt als einfaches künstliches neuronales Netzwerk funktioniert.
Dies geschah mithilfe mehrerer Gene auf dem Plasmid, die ihre gegenseitige Aktivierung und Deaktivierung gemäß äußeren Stimuli regulieren. Aber
Wo ist der Computer jetzt?
Auf seiner grundlegendsten Ebene besteht ein Computer aus Nullen und Einsen, aus Schaltern. An diesen Schaltern werden Operationen ausgeführt: Sie werden summiert, der maximale oder minimale Wert zwischen ihnen ausgewählt usw.
Fortgeschrittenere Operationen basieren auf den grundlegenden Operationen, die es einem Computer ermöglichen, Schach zu spielen oder eine Rakete zum Mond zu fliegen.
Bei den uns bekannten elektronischen Rechnern sind die 0/1-Schalter als Transistoren ausgeführt. Aber unsere Zellen sind auch Computer anderer Art. Dort kann das Vorhandensein oder Fehlen eines Moleküls als Schalter wirken. Gene aktivieren, triggern oder unterdrücken andere Gene und bilden, modifizieren oder entfernen Moleküle.
Die Synthetische Biologie zielt (neben anderen Zielen) darauf ab, diese Prozesse nutzbar zu machen, die Schalter zu synthetisieren und die Gene zu programmieren, die eine Bakterienzelle dazu bringen würden, komplexe Aufgaben auszuführen.
Zellen sind von Natur aus ausgestattet, um Chemikalien zu erkennen und organische Moleküle zu produzieren. Die Möglichkeit, diese Prozesse innerhalb der Zelle zu „computerisieren“, könnte erhebliche Auswirkungen auf die Bioherstellung haben und mehrere medizinische Anwendungen haben.
Trainiere die Bakterien
Die Doktoranden (jetzt Ärzte) Luna Rizik und Loai Danial, zusammen mit Dr. Mouna Habib, unter der Leitung von Prof. Ramez Daniel von der Fakultät für Biomedizinische Technik am Technion und in Zusammenarbeit mit Prof. Ron Weiss von der Synthetic Biology Center, MIT, wurden von der Funktionsweise künstlicher neuronaler Netze inspiriert.
Sie schufen synthetische Rechenschaltkreise, indem sie bestehende genetische „Teile“ oder konstruierte Gene auf neuartige Weise kombinierten, und implementierten Konzepte der neuromorphen Elektronik in Bakterienzellen. Das Ergebnis war die Schaffung von Bakterienzellen, die mithilfe von Algorithmen der künstlichen Intelligenz trainiert werden können.
Medizin liefern
Die Gruppe war in der Lage, flexible Bakterienzellen zu erstellen, die dynamisch umprogrammiert werden können, um zwischen der Meldung zu wechseln, ob mindestens eine oder zwei der Testchemikalien vorhanden sind (d. h. die Zellen konnten zwischen der Ausführung der ODER- und der UND-Funktion wechseln). ).
Zellen, die ihre Programmierung dynamisch ändern können, sind in der Lage, verschiedene Operationen unter verschiedenen Bedingungen durchzuführen. In der Tat tun unsere Zellen dies auf natürliche Weise.
Die Fähigkeit, diesen Prozess zu erstellen und zu steuern, ebnet den Weg für eine komplexere Programmierung, wodurch die konstruierten Zellen für fortgeschrittenere Aufgaben geeignet werden.
Algorithmen der künstlichen Intelligenz ermöglichten es den Wissenschaftlern, die erforderlichen genetischen Modifikationen an den Bakterienzellen mit deutlich reduziertem Zeit- und Kostenaufwand herzustellen.
Darüber hinaus nutzte die Gruppe eine weitere natürliche Eigenschaft lebender Zellen: Sie sind in der Lage, auf Gradienten zu reagieren. Mithilfe von Algorithmen der künstlichen Intelligenz gelang es der Gruppe, diese natürliche Fähigkeit zu nutzen, um einen Analog-Digital-Wandler herzustellen – eine Zelle, die in der Lage ist, zu melden, ob die Konzentration eines bestimmten Moleküls „niedrig“, „mittel“ oder „hoch“ ist.
Ein derartiger Sensor könnte verwendet werden, um die richtige Dosierung von Medikamenten zu verabreichen, einschließlich Krebsimmuntherapien und Diabetes-Medikamenten.
Press release by Technion. Selected, shortend and translated into German by VonNaftali. Text by Technion press release, headline by VonNaftali