Тема биологических вычислений и двоичной логики очень широка и уже не раз рассматривалась на Хабре. Хочу заострить внимание на цифровой природе охотничьего механизма у венериной мухоловки — эту тему, как минимум, дважды рассматривали на Хабре. Первая статья от уважаемого @Seleditor «Смертельно эффективная ловушка: как венерина мухоловка запоминает, что она поймала добычу» вышла в октябре 2020, а «Ужасная тюрьма 2: как щекотать мухоловку и не быть съеденным» от уважаемого @Dmytro_Kikot — в июле того же года. Также не раз на Хабре затрагивалась цифровая природа нейронов — например, в статьях «Как я нейроны паял» от уважаемого @DIZZYLEO «Моделируем электрическую активность нейронов» от уважаемого @esir_pavel и фундаментальный перевод «В коре вашего мозга 17 млрд компьютеров» от уважаемого Анатолия Ализара @m1rko

В этой статье я в широком смысле попробую рассмотреть успешные попытки программирования цифровой логики на материале бактерий и вирусов, какой субстрат для этого существует, а также что представляют собой биохимические логические вентили и транзисторы.

Логические вентили — это базовые узлы, на которых основана работа компьютеров, микроконтроллеров и всевозможной схемотехники, позволяющие выполнять программный код, как ветвящиеся цепочки логических операций. При помощи логических вентилей можно собирать цифровые архитектуры, работающие по принципу булевой логики, то есть дающие в результате каждой операции сумму составляющих её «ДА», «НЕТ», «И», «ИЛИ». Логические вентили подробно разобраны на Хабре в статье уважаемого @Stedihabr «Физика двоичной логики», вышедшей в блоге компании Timeweb Cloud. Вот как различные логические вентили изображаются, согласно стандартам ГОСТ и ANSI.

Молекулярные логические вентили — это органические молекулы, реакции между которыми можно описать как двоичные операции. Такая молекула выполняет логическую операцию в ответ на химический или физический ввод (в последнем случае речь идёт, например, о воздействии лазера). Молекулярные логические вентили разрабатываются с конца XX века, и к 2017 году совершают уже не только одиночные, но и последовательные операции, связанные, например, с суммированием или сохранением результата в молекулярную память. Обзор молекулярных логических вентилей с формулами химических реакций приведён в статье «Молекулярные переключатели и логические вентили для обработки информации. Стратегия „снизу‑вверх“: от кремния к углероду, от молекул к супрамолекулам» Михаила Фёдоровича Будыки из Института проблем химической физики РАН.

Не позже чем с 2001 года логические вентили создаются и на биохимическом материале. Вычисления можно выполнять в целой колонии, амплифицировать культуру, чтобы их масштабировать и распараллеливать, а также оттачивать работу механизма, пользуясь искусственным отбором/селекцией. Но такие системы быстро упираются в предел, связанный с жизнеспособностью бактерии. Во‑первых, в бактериальной клетке может вырабатываться ограниченное количество ферментов. Во‑вторых, «вычислительные» молекулы могут вступать в реакции с «родными», повреждаться в процессе метаболизма, из‑за чего результаты вычислений постепенно становятся непредсказуемыми и неточными. Эта проблема частично решается распределением вычислений, при котором на время работы разные культуры бактерий можно распределить через сообщающиеся сосуды, где продукт одной реакции через сообщающиеся сосуды поступает в другие ёмкости. Получается импровизированный пайплайн. Так можно запрограммировать довольно сложные логические функции.

Чтобы отслеживать, правильно ли выполняются логические операции, можно использовать светящиеся молекулы, которые легко внедрить в бактериальные культуры, позаимствовав у биолюминесцентных микроорганизмов. Другой подход — организовать считывание промежуточных биохимических результатов при помощи лазера, либо работать с солёными (электропроводящими) растворами и подводить к пробиркам электрические контакты, которые будут передавать на компьютер двоичный сигнал.

В июле 2003 года Анджела Бельчер из Массачусетского технологического института приступила к генетической разработке вируса (бактериофага), который встраивается в кристаллическую решётку полупроводника, находит два электрода и становится перемычкой между ними. Фактически, так возникает полевой транзистор, основной компонент компьютерного чипа. Эту перемычку вирус Бельчер синтезирует из специальных белков, которые на молекулярном уровне сцепляются и взаимодействуют с подложкой. Бельчер удавалось выращивать такие транзисторы нанометрового размера. Основной вариант применения таких вирусов — бионическая сборка кристалла заданной формы атом за атомом, а также упорядочивание и различение наночастиц в зависимости от их электрохимических свойств.

Работы Кристофера Войгта

В 2010 году группа под руководством Кристофера Войгта из Калифорнийского университета в Сан‑Франциско вывела бактериальную культуру, в которой логические вентили встроены в структуру ДНК. Отдельные участки ДНК действуют в качестве вентилей ИЛИ или НЕ. Вычисления обеспечиваются за счёт работы промоторов — небольших молекул, управляющих экспрессией близлежащих генов (гены срабатывают в ответ на химическое воздействие). Для такого воздействия исследователи применяли моносахарид арабинозу и антибиотик тетрациклин. При одновременном воздействии обоих промоторов на один ген система действовала как логический вентиль ИЛИ.

Создать вентиль НЕ (NOR) оказалось сложнее. Исследователи не ставили рядом с ключевым геном два промотора, как в предыдущем примере, а связывали эти промоторы с другим геном, экспрессирующим такой белок, который выключает любые гены, расположенные рядом с любым из этих промоторов (такой ген они назвали репрессором).

Поскольку это логический вентиль, его работу можно описать в виде электронной схемы, и, соответственно, выстраивать из вентилей НЕ такие комбинации, которые могут выполнять разные логические функции, например, И, РАВНО и пр. Для этого в одну бактерию упаковывают несколько комбинаций промоторов и регулирующих белков, но такие системы оказываются нестабильными из‑за непредусмотренных внутриклеточных взаимодействий, а также из‑за исчерпания сил бактерии. Поэтому подход с подключением специализированных бактериальных колоний друг к другу представляется более эффективным.

Ещё один аспект, ограничивающий сложность таких систем, связан с тем, что для каждой операции нужен отдельный фактор транскрипции, а таких факторов не очень много. Если за каждую операцию отвечает свой фактор транскрипции, то их сигналы не интерферируют. С другой стороны, чрезмерно активное производство белков перегружает рибосомы, и клетка начинает сбоить.

С учётом накопленного опыта, описанного выше, вычислительная система на основе бактериальных культур должна строиться не как «оркестр», а как максимально цифровая структура для передачи сигналов и для операций ввода/вывода, подобная транзисторам. В начале сентября 2026 года исследователи из MIT под руководством уже знакомого нам Кристофера Войгта сообщили о том, что удалось вырастить колонию бактерий, действующих именно как биологические транзисторы. Авторы исходят из того, что регуляция биохимических процессов в организме — это работа с информацией, поэтому в клеточных культурах, в частности, у бактерий, заложены цифровые возможности, позволяющие использовать генетически адаптированные штаммы как вычислительные устройства. Таким образом, обычный направленный отбор позволяет повышать качество таких транзисторов из поколения в поколение.

В традиционной электронике транзистор — это переключатель, регулирующий, может ли электрический ток пройти через звено цепи. Бактерии в системе, спроектированной в MIT, действуют схожим образом, пропуская или не пропуская маленькие сигнальные молекулы. Далее эти молекулы могут передавать информацию другим элементам биохимической сети.

Исследователи вывели два типа штаммов, выступающих в качестве транзисторов, плюс ещё три штамма, действующих как реле между ними. В совокупности из пяти этих штаммов теоретически можно собрать любой аналог интегральной схемы. В частности, группа продемонстрировала схемы, складывающие два или три входных значения и направляющие полученный результат по указанному «адресу».

Один из главных штаммов действует как транзистор N‑типа, а второй — как транзистор P‑типа. В электронике устройства N‑ и P‑типов по‑разному реагируют на управляющие сигналы, поэтому, сочетая их, можно реализовать переключение. В бактериальной клетке всё устроено аналогично, только сигналы не электрические, а биохимические. На вход в генетически изменённую клетку поступает молекула‑триггер, активирующая генетическую программу, в ответ клетка синтезирует другую молекулу (также сигнальную) и выбрасывает в среду, где её подхватывает соседняя клетка. Так получается цепочка, точнее говоря, эстафета биохимических событий. Этого вполне достаточно для создания логических вентилей.

Три штамма‑реле, предусмотренные в этой системе, решают серьёзнейшую проблему, которая пока не позволяет реализовать полноценную биологическую коммутацию. Межклеточная среда — это раствор, и диффузия в ней идёт сразу во всех направлениях. Из‑за этого часть сигнальных молекул просто не доходит до адресата, а часть попадает не в те клетки. Штаммы‑реле помогают структурировать этот процесс, превращая диффузию в упорядоченный однонаправленный процесс. Бактерия получает молекулярный сигнал, обрабатывает его и передаёт по цепочке далее. Интерференция и «потеря пакетов» снижаются. Кроме того, количество бактерий‑реле в культуре можно регулировать, не меняя (генетическое) устройство бактерий‑транзисторов.

Такая конфигурация реализует на микробиологической платформе аналог логики на проходных транзисторах (PTL), где транзисторы сами регулируют передачу сигналов между различными частями системы. На бактериальной платформе каждая генетически изменённая бактерия интерпретирует химический ввод и синтезирует химический вывод. Топологию такой сети можно менять, попросту перегруппируя ёмкости со специализированными штаммами.

В этом и заключается новизна исследования, поскольку естественные клеточные сети очень плохо поддаются перепрограммированию — повторюсь, что факторов транскрипции на многообразные операции не хватает, а сама коммуникация также зависит от работы рецепторов, обратной связи и многочисленных сигнальных путей, которые взаимодействуют друг с другом труднопрогнозируемым образом. Изменили ген — неизбежно получили побочные эффекты. С другой стороны, если «интегральная схема» состоит из 2–5 видов специализированных бактерий, ими не только проще управлять — их колонии можно переподключать друг к другу как контакты на макетной плате. Получается аналоговый язык программирования, где биохимия реализует семантику, а (динамическая) геометрия — синтаксис.

Пользуясь таким подходом, группа Войгта собрала схемы с несколькими входами и выходами, что позволило одновременно обрабатывать множественные молекулярные сигналы. Также они смогли демультиплексировать сигналы, то есть добиться, чтобы входной сигнал подавался на один из имеющихся выходов в зависимости от поступившего управляющего сигнала (маршрутизация). Эта задача решается селективной активацией биохимических путей.

Наконец, исследователи также показали арифметику на бактериях, собрав из них полный и неполный сумматор. Схема сумматора выглядит так:

Неполный сумматор складывает два поступивших на вход двоичных значения, затем выдаёт эту сумму. Полный сумматор производит такую же операцию, присовокупляя к ней результат, полученный на более ранней итерации. Поэтому через сумматоры удобно соединять несколько вычислительных единиц. Двоичность биохимических схем зависит от наличия или отсутствия определённого молекулярного компонента, а операции совершаются в результате метаболизма бактерий.

Долговременная и оперативная память на рибосомном носителе

В другом свежем исследовании, проведённом специалистами из университетов Питтсбурга и Атланты под руководством Шиладитьи Банерджи (выполнено в 2025, опубликовано в мае 2026) была построена математическая модель, демонстрирующая, как бактерии реагируют на изменения в концентрации питательных веществ, и как на биохимическом уровне управлять ростом колонии. Это исследование показало, что рибосомы (клеточные органеллы, отвечающие за синтез белков) можно переоборудовать в долговременное хранилище данных. Рибосома напоминает огромную молекулу и чаще сравнивается с процессором, поскольку от исправности рибосом зависит весь жизненный цикл клетки и достаточное поступление ферментов. Работа команды Банерджи показала, что функция рибосом может активизироваться или замедляться в ответ на повторяющиеся изменения окружающей среды. В бактериальной клетке тысячи рибосом (в эукариотической — десятки и сотни тысяч, в печёночной клетке у человека их может быть до 10 миллионов). Группа Банерджи обнаружила, что некоторые из этих органелл быстро реагируют на текущие изменения (подобны оперативной памяти), а другие медленно подстраивают выпуск белков под меняющийся биохимический фон (работают как долговременная память). Вероятно, такую логику можно реализовать в виде рекуррентной нейронной сети, и именно рассмотренные выше логические вентили подходят для переключения рибосом из режима долговременной памяти в режим оперативной, а также для дополнительного наращивания и замедления работы рибосом.

Заключение

Описанные здесь исследования, возможно, только сейчас выходят на восходящий тренд, поскольку теоретическая база проработана, а искусственный интеллект упрощает проектирование бактериальных схем. Предположу, что компьютер общего назначения из них не собрать (традиционная электроника на кристаллах гораздо более устойчива и предсказуема), но бактериальные платформы открывают захватывающие перспективы для создания умных лекарств и реагентов. Описанные технологии можно было бы применять в таких разных сферах, как изоляция и угнетение раковых опухолей, тестирование препаратов in vitro, устранение химических загрязнений и даже терраформирование. Если я упускаю какие‑то по‑настоящему интересные аспекты — расскажите о них в комментариях.