Komputasi Biologis

Mikroprosesor berbasis silikon saat ini diproduksi di bawah kondisi yang paling ketat. Filter besar membersihkan udara dari debu dan kelembaban, pekerja mengenakan perlengkapan seperti pakaian luar angkasa dan sistem yang dihasilkan diuji mikro untuk ketidaksempurnaan terkecil. Tetapi di beberapa laboratorium di seluruh negeri, para peneliti sedang membangun apa yang mereka harapkan akan menjadi beberapa komputer masa depan di lingkungan yang jauh dari gelas steril, tabung reaksi, dan cawan petri yang penuh bakteri. Sederhananya, para ilmuwan ini berusaha menciptakan sel yang dapat menghitung, diberkahi dengan gen cerdas yang dapat menambahkan angka, menyimpan hasilnya dalam semacam bank memori, menyimpan waktu dan mungkin suatu hari bahkan menjalankan program sederhana.



Semua operasi ini terdengar seperti apa yang dilakukan komputer saat ini. Namun sistem biologis ini dapat membuka dunia komputasi yang sama sekali berbeda. Adalah suatu kesalahan untuk membayangkan jenis komputasi yang kita bayangkan untuk sel-sel hidup sebagai pengganti jenis komputer yang kita miliki sekarang, kata Tom Knight, seorang peneliti di Laboratorium Kecerdasan Buatan MIT dan salah satu pemimpin di gerakan biokomputer. Knight mengatakan komputer baru ini akan menjadi cara menjembatani kesenjangan dengan dunia kimia. Anggap saja lebih sebagai komputer kontrol proses. Komputer yang menjalankan pabrik kimia. Komputer yang membuat bir untuk Anda.

Akhir dari Hukum Moore?

Kisah ini adalah bagian dari edisi Mei 2000 kami





  • Lihat sisa masalah
  • Langganan

Sebagai jembatan ke dunia kimia, biocomputing adalah hal yang alami. Pertama-tama, ini sangat hemat biaya. Setelah Anda memprogram satu sel, Anda dapat menumbuhkan miliaran lebih banyak untuk biaya solusi nutrisi sederhana dan waktu teknisi lab. Kedua, biokomputer pada akhirnya mungkin jauh lebih andal daripada komputer yang dibuat dari kabel dan silikon, untuk alasan yang sama bahwa otak kita dapat bertahan dari kematian jutaan sel dan masih berfungsi, sedangkan PC bertenaga Pentium Anda akan bekerja jika Anda potong satu kawat. Tetapi yang menentukan adalah bahwa setiap sel memiliki pabrik kimia mini sesuai perintahnya: Setelah organisme diprogram, hampir semua bahan kimia biologis dapat disintesis sesuka hati. Itulah mengapa Knight membayangkan biokomputer menjalankan semua jenis sistem biokimia dan bertindak untuk menghubungkan teknologi informasi dan bioteknologi.

Semua operasi ini terdengar seperti apa yang dilakukan komputer saat ini. Namun sistem biologis ini dapat membuka bidang komputasi yang sama sekali berbeda. Adalah suatu kesalahan untuk membayangkan jenis komputasi yang kita bayangkan untuk sel-sel hidup sebagai pengganti jenis komputer yang kita miliki sekarang, kata Tom Knight, seorang peneliti di Laboratorium Kecerdasan Buatan MIT dan salah satu pemimpin di gerakan biokomputer. Knight mengatakan komputer baru ini akan menjadi cara menjembatani kesenjangan dengan dunia kimia. Anggap saja lebih sebagai komputer kontrol proses. Komputer yang menjalankan pabrik kimia. Komputer yang membuat bir untuk Anda.

Sebagai jembatan ke dunia kimia, biocomputing adalah hal yang alami. Pertama-tama, ini sangat hemat biaya. Setelah Anda memprogram satu sel, Anda dapat menumbuhkan miliaran lebih banyak untuk biaya solusi nutrisi sederhana dan waktu teknisi lab. Kedua, biokomputer pada akhirnya mungkin jauh lebih andal daripada komputer yang dibuat dari kabel dan silikon, untuk alasan yang sama bahwa otak kita dapat bertahan dari kematian jutaan sel dan masih berfungsi, sedangkan PC bertenaga Pentium Anda akan bekerja jika Anda potong satu kawat. Tetapi yang menentukan adalah bahwa setiap sel memiliki pabrik kimia mini sesuai perintahnya: Setelah organisme diprogram, hampir semua bahan kimia biologis dapat disintesis sesuka hati. Itulah mengapa Knight membayangkan biokomputer menjalankan semua jenis sistem biokimia dan bertindak untuk menghubungkan teknologi informasi dan bioteknologi.



Namun, mewujudkan visi ini akan memakan waktu cukup lama. Saat ini komputer desktop biasa dapat menyimpan 50 miliar bit informasi. Sebagai perbandingan, Tim Gardner, seorang mahasiswa pascasarjana di Universitas Boston, baru-baru ini membuat sistem genetik yang dapat menyimpan satu bit informasi—baik 1 atau 0. Pada garis waktu inovasi, pemrogram mikroba saat ini kira-kira merupakan pelopor ilmu komputer berada di tahun 1920-an, ketika mereka membangun komputer digital pertama.

Memang, sangat menggoda untuk mengabaikan penelitian ini sebagai keingintahuan akademis, seperti membuat komputer dari Tinker Toys. Tetapi jika proyek ini berhasil, hasilnya bisa mengejutkan. Alih-alih dengan susah payah mengisolasi protein, memetakan gen, dan mencoba memecahkan kode rahasia alam, bioengineer dapat dengan mudah memprogram sel untuk melakukan apa pun yang diinginkan—misalnya, menyuntikkan insulin seperlunya ke dalam aliran darah penderita diabetes—sama seperti seorang programmer dapat memanipulasi fungsi sebuah komputer. Mesin biologis dapat mengantarkan dunia baru dalam pengendalian bahan kimia.

Dalam jangka panjang, Knight dan yang lainnya mengatakan, biocomputing dapat membuat Band-Aids aktif yang mampu menganalisis cedera dan menyembuhkan kerusakan. Teknologi ini dapat digunakan untuk memprogram spora bakteri yang akan tetap tidak aktif di dalam tanah sampai tumpahan bahan kimia terjadi, di mana bakteri akan bangun, berkembang biak, memakan bahan kimia dan kembali ke dormansi.

Dalam waktu dekat—mungkin dalam lima tahun—seorang tentara mungkin membawa perangkat biochip yang dapat mendeteksi ketika beberapa racun atau agen dilepaskan, kata profesor teknik biomedis Universitas Boston James Collins, pemain kunci lain di bidang biokomputer.



Biologi Baru

Penelitian biocomputing adalah salah satu disiplin ilmu baru yang melintasi bidang mapan-dalam hal ini ilmu komputer dan biologi-tetapi tidak cocok dengan baik ke dalam budaya mana pun. Ahli biologi dilatih untuk penemuan, kata Collins. Saya tidak mendorong siswa saya untuk menemukan komponen baru dalam sistem biologis. Rekan pascadoktoral Universitas Rockefeller Michael Elowitz menjelaskan perbedaan ini dalam istilah teknik: Biasanya dalam biologi, seseorang mencoba merekayasa balik sirkuit yang telah dirancang dan dibangun oleh evolusi. Apa yang Collins, Elowitz dan lain-lain ingin lakukan sebagai gantinya adalah sirkuit biologis rekayasa maju, atau membangun yang baru dari awal.

Tetapi sementara tujuan para peneliti biocomputing sangat berbeda dari tujuan para ahli biologi seluler dan molekuler, banyak alat yang mereka andalkan adalah sama. Dan bekerja di bangku di laboratorium basah berorientasi biologis tidak mudah bagi ilmuwan komputer dan insinyur-banyak dari mereka terbiasa dengan mesin yang dengan setia menjalankan perintah yang mereka ketik. Tetapi di lab basah, seperti kata pepatah, organisme akan melakukan apa pun yang diinginkannya.

teknologi otak elon musk

Setelah hampir 30 tahun sebagai peneliti ilmu komputer, Knight dari MIT mulai mendirikan lab biologinya tiga tahun lalu, dan tidak ada yang berhasil dengan baik. Reaksi buku teks gagal. Jadi setelah lima bulan mengalami kemajuan yang sangat lambat, dia menyewa seorang ahli biologi dari University of California, Berkeley, untuk datang dan mencari tahu apa yang salah. Dia menerbangkan termos berisi reagen lintas negara, sampel biologis—bahkan airnya sendiri. Memang, ternyata air di lab Knight adalah biang keladinya: Air itu tidak cukup murni untuk penyambungan gen. Beberapa hari setelah diagnosis itu, lab itu berdiri dan berjalan.

Gardner dari Universitas Boston, seorang fisikawan yang menjadi ilmuwan komputer, mengatasi beberapa tantangan dalam mendirikan laboratorium dengan meminjam ruang dari B.U. ahli biologi Charles Cantor, yang telah menjadi tokoh terkemuka dalam Proyek Genom Manusia. Tapi sebelum Gardner beralih ke termos, vial, dan cawan kultur, dia menghabiskan sebagian besar waktu setahun bekerja dengan Collins untuk membangun model matematika untuk saklar satu bit genetik mereka, atau flip-flop. Gardner kemudian memulai tugas berat untuk mewujudkan model itu di lab.

Flip-flop, jelas Collins, dibangun dari dua gen yang saling bermusuhan: Ketika yang satu aktif, atau diekspresikan, ia mematikan yang kedua, dan sebaliknya. Idenya adalah Anda dapat beralih di antara dua keadaan ini dengan beberapa pengaruh eksternal, kata Collins. Mungkin ledakan bahan kimia atau perubahan suhu. Karena salah satu dari dua gen menghasilkan protein yang berpendar di bawah sinar laser, para peneliti dapat menggunakan detektor berbasis laser untuk melihat kapan sel beralih di antara keadaan.

Pada bulan Januari, dalam jurnal Nature, Gardner, Collins dan Cantor menggambarkan lima sandal jepit yang dibuat dan dimasukkan oleh Gardner ke dalam E. coli. Gardner mengatakan bahwa flip-flop adalah yang pertama dari serangkaian apa yang disebut applet genetik yang ia harap bisa ciptakan. Istilah applet dipinjam dari ilmu komputer kontemporer: Ini mengacu pada program kecil, biasanya ditulis dalam bahasa pemrograman Java, yang diletakkan di halaman Web dan melakukan fungsi tertentu. Sama seperti applet yang secara teoritis dapat digabungkan menjadi program yang lengkap, Gardner yakin dia dapat membangun serangkaian bagian genetik yang dapat digabungkan dan menggunakannya untuk memprogram sel untuk melakukan fungsi baru. Dalam contoh pengiriman insulin, applet genetik yang merasakan jumlah glukosa dalam aliran darah penderita diabetes dapat dihubungkan ke applet kedua yang mengontrol sintesis insulin. Applet ketiga mungkin memungkinkan sistem untuk merespons kejadian eksternal, yang memungkinkan, misalnya, seorang dokter untuk memicu produksi insulin secara manual.

GeneTic Tock

Sebagai mahasiswa pascasarjana di Universitas Princeton, Michael Elowitz dari Rockefeller membangun sebuah applet genetik jamnya sendiri.

kemampuan saturnus untuk mendukung kehidupan

Dalam dunia komputer digital, jam merupakan salah satu komponen yang paling mendasar. Jam tidak memberi tahu waktu-sebagai gantinya, mereka mengirimkan rangkaian pulsa yang digunakan untuk menyinkronkan semua peristiwa yang terjadi di dalam mesin. PC IBM pertama memiliki jam yang berdetak 4,77 juta kali setiap detik; komputer Pentium III top-of-the-line saat ini memiliki jam yang berdetak 800 juta kali per detik. Jam Elowitz, sebaliknya, berputar sekali setiap 150 menit atau lebih.

Jam biologis terdiri dari empat gen yang direkayasa menjadi bakteri. Tiga dari mereka bekerja sama untuk mengubah keempat, yang mengkodekan protein fluorescent, dan mematikan-Elowitz menyebutnya sirkuit genetik.

Meskipun jam Elowitz adalah pencapaian yang luar biasa, jam ini tidak menyimpan waktu yang baik-rentang antara tik dan tik berkisar antara 120 menit hingga 200 menit. Dan dengan setiap jam berjalan secara terpisah di masing-masing banyak bakteri, koordinasi menjadi masalah: Perhatikan satu bakteri di bawah mikroskop dan Anda akan melihat interval reguler bercahaya dan redup saat gen untuk protein fluoresen dihidupkan dan dimatikan, tetapi letakkan massa bakteri bersama-sama dan mereka semua akan tidak sinkron.

lowitz berharap bisa belajar dari kekacauan ini. Ini adalah upaya pertama kami, katanya. Apa yang kami temukan adalah bahwa jam yang kami buat sangat bising-ada banyak variabilitas. Sebuah pertanyaan besar adalah dari mana asal suara itu dan bagaimana cara menghindarinya. Dan bagaimana sebenarnya, sirkuit nyata yang dihasilkan oleh evolusi mampu menghindari kebisingan itu.

Sementara Elowitz bekerja untuk meningkatkan waktunya, Collins dan Gardner dari B.U. bertujuan untuk mengalahkan jam perusahaan. Mereka telah mengajukan paten pada flip-flop genetik, dan Collins berbicara dengan calon investor, bekerja untuk membentuk apa yang akan menjadi perusahaan biocomputing pertama. Dia berharap untuk memiliki dana di tempat dan usaha diluncurkan dalam beberapa bulan.

Produk awal perusahaan prospektif mungkin termasuk perangkat yang dapat mendeteksi kontaminasi makanan atau racun yang digunakan dalam perang kimia atau biologi. Ini akan mungkin, kata Collins, jika kita dapat menggabungkan sel dengan chip dan menggunakannya di luar tubuh sebagai elemen penginderaan. Dengan menjaga sel-sel yang dimodifikasi di luar tubuh manusia, startup akan menghindari banyak masalah peraturan Food and Drug Administration dan mungkin memiliki produk di pasar dalam beberapa tahun. Tetapi tujuan akhir Collins adalah terapi gen yang menempatkan jaringan applet genetik ke dalam inang manusia untuk mengobati penyakit seperti hemofilia atau anemia.

Kemungkinan lain adalah menggunakan sakelar genetik untuk mengontrol reaktor biologis—yang merupakan visi Knight untuk menjembatani dunia kimia. Perusahaan kimia yang lebih besar seperti DuPont sedang bergerak menuju teknologi di mana mereka dapat menggunakan sel sebagai pabrik kimia untuk memproduksi protein, kata Collins. Apa yang dapat Anda lakukan dengan sirkuit kontrol ini adalah mengatur ekspresi gen yang berbeda untuk menghasilkan protein yang Anda minati. Bakteri dalam bioreaktor besar dapat diprogram untuk membuat berbagai jenis obat, nutrisi, vitamin, atau bahkan pestisida. Pada dasarnya, ini akan memungkinkan seluruh pabrik untuk diperlengkapi kembali dengan melemparkan satu saklar genetik.

Komputasi Amorf

Sakelar dua gen bukanlah hal baru dalam biologi, kata Roger Brent, associate director penelitian di Molecular Sciences Institute di Berkeley, California, sebuah perusahaan riset nirlaba. Brent-yang mengevaluasi penelitian biocomputing untuk Defense Advanced Research Projects Agency-mengatakan bahwa para insinyur genetika telah membuat dan menggunakan peralihan kecanggihan seperti itu sejak tahun 1970-an. Kami para ahli biologi memiliki berton-ton sel yang ada di dua keadaan dan berubah tergantung pada input eksternal.

Untuk Brent, apa yang paling menarik tentang B.U. peralihan genetik peneliti adalah bahwa itu bisa jadi hanya permulaan. Kami memiliki sel dua negara. Bagaimana dengan sel empat keadaan? Apakah ada yang bagus di sana? dia bertanya. Katakanlah Anda bisa mendapatkan sel yang ada di sejumlah besar keadaan independen dan ada hal-hal yang terjadi di dalam sel...yang menyebabkan sel berpindah dari satu keadaan ke keadaan lain sebagai respons terhadap pengaruh yang berbeda, lanjut Brent. Dapatkah Anda melakukan perhitungan yang berarti? Jika Anda memiliki 16 status dalam sel dan kemampuan untuk membuat sel berkomunikasi dengan tetangganya, dapatkah Anda melakukan sesuatu dengan itu?

Dengan sendirinya, satu sel dengan 16 status tidak bisa berbuat banyak. Tetapi gabungkan satu miliar sel ini dan Anda tiba-tiba memiliki sistem dengan penyimpanan 2 gigabita. Satu sendok teh bakteri yang dapat diprogram berpotensi memiliki memori satu juta kali lebih banyak daripada komputer terbesar saat ini-dan berpotensi miliaran demi miliaran prosesor. Tapi bagaimana mungkin Anda memprogram mesin seperti itu?

Pemrograman adalah pertanyaan yang coba dijawab oleh proyek Amorphous Computing di MIT. Tujuan proyek ini adalah untuk mengembangkan teknik untuk membangun sistem perakitan mandiri. Teknik semacam itu dapat memungkinkan bakteri dalam satu sendok teh untuk menemukan tetangga mereka, mengatur ke dalam komputer pemrosesan paralel besar-besaran dan mulai memecahkan masalah komputasi yang intensif seperti memecahkan kunci enkripsi, memfaktorkan sejumlah besar atau bahkan memprediksi cuaca.

Para peneliti di MIT telah lama tertarik pada metode komputasi yang menggunakan banyak komputer kecil, daripada satu komputer super cepat. Pendekatan semacam itu menarik karena dapat memberikan dorongan komputasi di atas tembok yang diyakini banyak orang bahwa evolusi mikroprosesor silikon akan segera tercapai. Ketika prosesor tidak dapat menyusut lebih jauh, para peneliti ini bersikeras, satu-satunya cara untuk mencapai komputasi yang lebih cepat adalah dengan menggunakan banyak komputer secara bersamaan. Banyak peneliti kecerdasan buatan juga percaya bahwa hanya mungkin untuk mencapai kecerdasan mesin yang sebenarnya dengan menggunakan jutaan prosesor kecil yang terhubung - pada dasarnya memodelkan koneksi neuron di otak manusia.

Di dinding di luar kantor lantai empat profesor ilmu komputer dan teknik MIT Harold Abelson adalah salah satu hasil nyata pertama dari upaya Amorphous Computing. Disebut Gunk, itu adalah jalinan kabel, koloni komputer papan tunggal, masing-masing terhubung secara acak dengan tiga mesin lain di koloni. Setiap komputer memiliki lampu merah berkedip; tujuan koloni adalah untuk menyinkronkan lampu sehingga mereka berkedip serempak. Koloni ini kuat dengan cara yang tidak dimiliki komputer tradisional: Anda dapat mematikan komputer mana pun atau menyambungkan kembali koneksinya tanpa mengubah perilaku sistem secara keseluruhan. Tapi meskipun memesona untuk ditonton, koloni tidak terlibat dalam perhitungan yang penting secara fundamental.

kincir angin di laut

Lima lantai di atas kantor Abelson, di laboratorium biologi Knight, para peneliti meluncurkan perampokan yang lebih luas ke dunia komputasi amorf: siswa Knight sedang mengembangkan teknik untuk bertukar data antar sel, dan antara sel dan komputer skala besar, karena komunikasi antar komponen adalah persyaratan mendasar dari sistem amorf. Sementara grup Collins di B.U. menggunakan panas dan bahan kimia untuk mengirim instruksi ke sakelar mereka, lab Knight sedang mengerjakan sistem komunikasi berdasarkan cahaya bioluminesensi yang dihasilkan oleh sel hidup.

Sampai saat ini, pekerjaan berjalan lambat. Laboratorium ini baru dan, seperti yang ditunjukkan oleh pengalaman kemurnian air, tim tidak berpengalaman dalam hal biologi. Tetapi beberapa kelambatan juga disengaja: Para peneliti ingin menjadi seakrab mungkin dengan alat biologis yang mereka gunakan untuk memaksimalkan perintah mereka terhadap sistem apa pun yang akhirnya mereka kembangkan. Jika Anda benar-benar akan membangun sesuatu yang ingin Anda kendalikan-jika kami memiliki sirkuit digital yang kami harapkan memiliki perilaku yang dapat diandalkan-maka Anda perlu memahami komponennya, kata mahasiswa pascasarjana Ron Weiss. Dan biologi penuh dengan fluktuasi, kata Weiss. Jumlah yang tepat dari protein tertentu yang dihasilkan sel bakteri tidak hanya bergantung pada strain bakteri dan urutan DNA yang direkayasa ke dalam sel, tetapi juga pada kondisi lingkungan seperti nutrisi dan waktu. Keterangan Weiss: Jumlah variabel yang ada sangat banyak.

Untuk menangani semua variabel tersebut, tim Knight memulai dengan karakterisasi mendalam dari beberapa gen berbeda untuk luciferase, enzim yang memungkinkan kunang-kunang dan organisme bercahaya lainnya menghasilkan cahaya. Memahami akhir generasi cahaya adalah langkah pertama yang jelas menuju sarana komunikasi sel-ke-sel yang andal. Ada sel di luar sana yang bisa mendeteksi cahaya, kata Knight. Ini mungkin cara bagi sel untuk memberi sinyal satu sama lain. Terlebih lagi, katanya, jika sel-sel ini tahu di mana mereka berada, dan berjalan sebagai ansambel yang terorganisir, Anda dapat menggunakan ini sebagai cara untuk menampilkan sebuah pola. Pada akhirnya, tim Knight berharap bahwa kumpulan besar sel-sel yang berkomunikasi dapat melakukan perhitungan yang berarti dan memiliki ketahanan Gunk-atau otak manusia dari Abelson.

Kecepatan Penuh ke Depan

Bahkan saat labnya-dan ladangnya-mengambil langkah pertama, Knight melihat ke masa depan. Dia mengatakan dia tidak khawatir tentang kecepatan yang sangat lambat dari pendekatan genetik saat ini untuk biocomputing. Dia dan peneliti lain memulai dengan sistem berbasis DNA, kata Knight, karena rekayasa genetika relatif dipahami dengan baik. Anda mulai dengan sistem yang mudah dan pindah ke sistem yang sulit.

Dan ada banyak sistem biologis—termasuk sistem yang didasarkan pada sel saraf, seperti otak kita sendiri—yang beroperasi lebih cepat daripada yang memungkinkan untuk menghidupkan dan mematikan gen, kata Knight. Sebuah neuron dapat merespon stimulus eksternal, misalnya, dalam hitungan milidetik. Kelemahannya, kata Knight, adalah bahwa beberapa mekanisme biologis yang lebih cepat saat ini tidak dipahami sebaik fungsi genetik, dan secara substansial lebih sulit untuk dimanipulasi dan dipadukan.

sakit, Brent dari Institut Ilmu Molekuler percaya bahwa prototipe biokomputer berbasis DNA saat ini adalah batu loncatan ke komputer berdasarkan neurokimia. Tiga puluh tahun dari sekarang kita akan menggunakan pengetahuan kita tentang neurobiologi perkembangan untuk menumbuhkan sirkuit yang sesuai yang akan dibuat dari sel-sel saraf dan akan memproses informasi seperti orang gila, prediksi Brent. Sementara itu, pionir seperti Knight, Collins, Gardner dan Elowitz akan terus memproduksi perangkat baru tidak seperti apa pun yang pernah keluar dari pabrik mikroprosesor, dan untuk meletakkan dasar bagi era baru komputasi.

Siapa Siapa di Biocomputing Organisasi Peneliti Kunci Fokus Lawrence Berkeley National Laboratory Adam Arkin Sirkuit genetik dan pengalamatan sirkuit Boston University James J. Collins Apel genetik Universitas Rockefeller Michael Elowitz Sirkuit genetik MIT Thomas F. Knight Komputasi amorf

bersembunyi

Teknologi Aktual

Kategori

Tidak Dikategorikan

Teknologi

Bioteknologi

Kebijakan Teknologi

Perubahan Iklim

Manusia Dan Teknologi

Bukit Silikon

Komputasi

Majalah Berita Mit

Kecerdasan Buatan

Ruang Angkasa

Kota Pintar

Blockchain

Cerita Fitur

Profil Alumni

Koneksi Alumni

Fitur Berita Mit

1865

Pandangan Ku

77 Jalan Massal

Temui Penulisnya

Profil Dalam Kemurahan Hati

Terlihat Di Kampus

Surat Alumni

Berita

Pemilu 2020

Dengan Indeks

Di Bawah Kubah

Pemadam Kebakaran

Cerita Tak Terbatas

Proyek Teknologi Pandemi

Dari Presiden

Sampul Cerita

Galeri Foto

Direkomendasikan