ทรานซิสเตอร์ปกติส่งกระแสไฟ แล้ว “ทรานซิสเตอร์แบคทีเรีย” ส่งอะไรแทน?

เวลาได้ยินคำว่า “ทรานซิสเตอร์” เรามักนึกถึงชิปเล็ก ๆ ในโทรศัพท์หรือคอมพิวเตอร์ ซึ่งทำหน้าที่ควบคุมสัญญาณไฟฟ้าเปิด–ปิดอย่างรวดเร็ว

แต่นักวิจัยจาก MIT สร้างระบบที่ใช้หลักคิดคล้ายกัน เพียงแต่แทนที่จะใช้ซิลิคอนและอิเล็กตรอน พวกเขาใช้ แบคทีเรียกับโมเลกุลเคมี

แต่ละโคโลนีถูกออกแบบให้รับสัญญาณ ตอบสนองตามเงื่อนไข แล้วส่งสัญญาณต่อไปยังโคโลนีอื่น จนประกอบกันเป็นวงจรชีวภาพที่สามารถทำตรรกะบางอย่างได้

ของปกติควบคุมไฟฟ้า ของแบคทีเรียควบคุม “โมเลกุลสัญญาณ”

ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เหมือนสวิตช์ที่ควบคุมว่าสัญญาณไฟฟ้าจะผ่านหรือไม่ผ่าน

งานของทีม MIT เปลี่ยนตัวกลางนั้นออกไป โดยใช้แบคทีเรีย Pantoea agglomerans ที่ผ่านการออกแบบทางพันธุกรรมให้ตอบสนองต่อโมเลกุลบางชนิด

เมื่อโคโลนีหนึ่งได้รับสัญญาณตามเงื่อนไขที่กำหนด มันสามารถผลิตโมเลกุลสัญญาณอีกชนิดออกมา แล้วโมเลกุลนั้นค่อย ๆ แพร่ผ่านอาหารเลี้ยงเชื้อไปยังโคโลนีถัดไป

ถ้ามองให้ง่ายที่สุด การทำงานจึงมีลำดับประมาณว่า

รับสัญญาณ → ตอบสนองตามเงื่อนไข → ปล่อยสัญญาณใหม่ → ส่งต่อไปยังโคโลนีถัดไป

ไม่จำเป็นต้องให้เซลล์เดียวทำทุกอย่าง

จุดที่น่าสนใจของงานนี้คือ ทีมไม่ได้พยายามสร้างแบคทีเรียเซลล์เดียวให้ทำการคำนวณซับซ้อนทั้งหมด

พวกเขาแบ่งหน้าที่ออกเป็นชิ้นเล็ก ๆ โดยมีแบคทีเรีย 2 แบบที่ทำหน้าที่คล้ายทรานซิสเตอร์ และอีก 3 แบบที่ทำหน้าที่เป็น relay สำหรับส่งสัญญาณต่อ

จากนั้นจึงนำโคโลนีเหล่านี้ไปจัดตำแหน่งบน agar ให้โมเลกุลจากจุดหนึ่งแพร่ไปถึงอีกจุดหนึ่งได้ตามเส้นทางที่ต้องการ

ความน่าสนใจอยู่ตรงที่ ถ้าต้องการเปลี่ยนวงจร นักวิจัยสามารถเปลี่ยนรูปแบบการวางโคโลนี แทนที่จะต้องออกแบบพันธุกรรมใหม่ทั้งหมดทุกครั้ง

มันคำนวณได้จริง แต่ไม่ได้เกิดมาแข่งกับ CPU

ทีมวิจัยต่อระบบเหล่านี้เป็นวงจรตรรกะหลายแบบ รวมถึงวงจรที่ทำหน้าที่รวมและแยกสัญญาณ

วงจรใหญ่ที่สุดในงานประกอบด้วยโคโลนีแบคทีเรีย 24 โคโลนี ที่ทำงานต่อเนื่องกัน

แต่ถ้าเทียบกับคอมพิวเตอร์ทั่วไป ระบบนี้ช้ามาก

MIT ระบุว่า การคำนวณหนึ่งรอบใช้เวลาประมาณ 8 ชั่วโมง

ดังนั้นเป้าหมายของงานนี้ไม่ใช่ทำคอมพิวเตอร์ที่เร็วกว่าโทรศัพท์หรือชิปซิลิคอน แต่เป็นการนำ “การคำนวณ” เข้าไปอยู่ในสภาพแวดล้อมทางชีวภาพที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ทำงานได้ยาก

แล้วความช้าจะมีประโยชน์ตรงไหน?

ถ้าระบบนี้เอาไปวัดสิ่งที่เปลี่ยนในเสี้ยววินาที มันแทบไม่มีทางสู้วงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้

แต่ถ้าสิ่งที่กำลังเฝ้าดูเปลี่ยนในระดับชั่วโมงหรือวัน เช่น สภาพของพืช ความแห้งแล้ง หรือสัญญาณทางชีวภาพบางอย่าง ความเร็วระดับนั้นอาจเพียงพอ

นักวิจัยจึงมองไปถึงการนำวงจรชีวภาพไปทำงานบนรากหรือใบพืช เพื่อให้ระบบตรวจสัญญาณบางอย่างจากสภาพแวดล้อมแล้วตอบสนองตามเงื่อนไขที่ออกแบบไว้

แบคทีเรียไม่ได้ “คิด” และไม่ได้กลายเป็นคอมพิวเตอร์ทั้งเครื่อง

คำว่า living circuit หรือ “วงจรมีชีวิต” ฟังดูเหมือนกำลังสร้างคอมพิวเตอร์ที่มีชีวิต แต่ถ้าเข้าใจแบบนั้นจะเกินจากสิ่งที่งานทดลองแสดง

แบคทีเรียเหล่านี้ไม่ได้มี CPU ไม่ได้คิดเอง และไม่ได้ทำงานเหมือนโน้ตบุ๊กขนาดจิ๋ว

สิ่งที่เกิดขึ้นคือ นักวิจัยออกแบบให้เซลล์แต่ละกลุ่มทำหน้าที่ง่าย ๆ แล้วใช้โมเลกุลเป็นตัวส่งข้อมูลระหว่างกลุ่ม

แนวคิดจึงคล้ายกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ตรงที่ ชิ้นส่วนเล็ก ๆ หลายชิ้นถูกต่อเข้าด้วยกันจนเกิดหน้าที่ที่ซับซ้อนขึ้น

จากการต่อทรานซิสเตอร์ อาจกลายเป็นการต่อ “โคโลนี”

คอมพิวเตอร์ยุคปัจจุบันเกิดจากการนำทรานซิสเตอร์จำนวนมหาศาลที่ทำหน้าที่พื้นฐานมาต่อกัน

งานนี้กำลังทดลองแนวคิดคล้ายกันในอีกวัสดุหนึ่ง

แทนที่จะถามว่า “จะทำให้แบคทีเรียหนึ่งเซลล์ฉลาดแค่ไหน” นักวิจัยกำลังถามว่า ถ้าให้แต่ละโคโลนีทำงานง่าย ๆ แล้วสื่อสารหากัน เราจะประกอบมันเป็นระบบคำนวณได้ไกลแค่ไหน?

คำตอบตอนนี้ยังห่างจากคอมพิวเตอร์ทั่วไปมาก แต่สิ่งที่พิสูจน์ได้แล้วคือ การรับสัญญาณ การตัดสินตามเงื่อนไข และการส่งต่อข้อมูล ไม่จำเป็นต้องเกิดขึ้นด้วยกระแสไฟฟ้าเสมอไป