真菌アーキテクチャと論理バクテリア
Fungal architecture and logical bacteria.
バイオコンピューティングは、コンピュータサイエンス、バイオロジー、エンジニアリングの交差点に位置しています。この分野の研究者たちは、バクテリアや菌類などの微生物、DNAなどの細胞構成要素など、生物材料の固有の分子的および化学的特性を利用して、コンピューティングを進化させることを目的としています。実証された応用分野および潜在的な応用分野は、計算タスクの実行、データの保存と検索、新しいハードウェアの構築などが含まれます。
支持者たちは、バイオコンピューティングが従来の電子技術に比べて優れていると主張しています。たとえば、この技術は、高速加熱するシリコンマイクロチップに依存していないため、よりエネルギー効率が高く、多くの生物材料には自己修復する有用な能力があるということです。
バイオコンピューティングの起源は、チューリング賞受賞者であるコンピュータサイエンティストのレナード・アドルマンが、DNA分子をコンピューティングタスクに適用することができることを実証した1990年代までさかのぼります。最近の合成生物学とナノバイオテクノロジーの発展により、バイオ材料をナノスケールで操作することが可能になり、この分野が進化を遂げています。バクテリア駆動の機能から、菌糸に基づく潜在的に破壊的な技術に取り組む研究が世界中で進行中です。
バクテリアデバイス
バクテリアは、遺伝子発現やキオリン感知などの行動を示す微生物で、遺伝子工学的にコンピューティングタスクを実行できるように設計することができます。
インドのコルカタにあるサハ原子力研究所のバイオ物理学者であるSangram BaghとRajkamal Srivastavは、分子工学的に設計したバクテリアを使用した論理的に可逆なダブルフェインマンゲートを、人工ニューラルネットワーク（ANN）アーキテクチャで開発しました。彼らの3入力3出力のダブルフェインマン論理ゲートは、研究者によると、生きた細胞を使用したダブルフェインマンゲートの最初の実現です。
BaghとSrivastavは、E. coli細胞内に合成遺伝子ネットワークを作成し、エンジニアリングされたバクテリアを使用して単層の人工ネットワーク型アーキテクチャを構築することで「細胞デバイス」を開発しました。彼らはこれを「バクトニューロン」と呼んでいます。バクトニューロンがこのアーキテクチャで配置されると、ダブルフェインマンゲートが生成されます。細胞デバイスの入力信号は、細胞外化学物質を使用して生成されます。「この入力信号は0または1のようなものです。存在するかどうかで、出力が得られます。」とBaghは説明しています。この場合の出力は、3つの蛍光タンパク質の発現です。
他のバクテリア駆動のバイオコンピューティングソリューションも現れています。アイルランドのウォルトン研究所とタンドール国立研究所、および英国エセックス大学のチームは、マイクロ流体と電気化学センシング技術を使用したバクテリア分子コンピューティング（BMCoC）を提案しています。スペインのセントロ・ナシオナル・デ・ビオテクノロヒア（CSIC）とマドリード大学コンプルテンセ校（UCM）およびチリのディエゴ・ポルタレス大学の研究者たちは、人工ニューラルネットワークを使用して合成バクテリアのプログラミングが可能であることを示しています。ボストン大学のOliveira Labでは、マイクロ流体装置に埋め込まれたプログラマブルな微生物コミュニティを開発しています。
バクテリアは単細胞で微小ですが、バイオコンピューティングの実験はより複雑な生物構造を基盤としています。
菌糸基板
英国ウェスト・オブ・イングランド大学の非伝統的コンピューティング研究所（UCL）、オランダのユトレヒト大学、デンマークの王立デンマーク建築情報技術センター（CITA）、およびイタリアの菌糸ベースの技術機関MOGUは、菌糸を使用して「建築物を育てるための完全に統合された構造と計算の生きた基板」を構築することを目的としたEU資金提供のプロジェクトFungal Architecturesで協力しています。
UCLの所長で創設者であるAdam Adamatzkyは、研究において菌類が提供する有利な特性を列挙しています。
- “トラブルトレランスと自己再生：地下の菌糸をすべて破壊することは不可能です。
- 再構成可能性：私たちは、菌糸ネットワークの成長を、リペレントとアトラクタントを使用してプログラムできます。
- 進化性 – すべての生き物がそうするように、菌類は進化します。
- 非常に低いエネルギー消費 – 菌類は腐った木で生きるコンピューターです。
昨年、Adamatzky氏とUCLの同僚であるNic Roberts氏は、菌類内に論理回路を採掘することを実証し、2021年には、CITAの同僚たちと共に、「菌類エレクトロニクス」を紹介する論文を発表しました。生物学的な電子デバイス、化学センサー、フォトセンサー、発振器を含む、純粋な菌糸体または菌糸体束縛複合体で作られたものです。Adamatzkyは、「私は異常な基質から計算デバイスを実装することに終生興味を持っています。」と述べています。
同様に異常だが有望なバイオコンピューティング材料は、Physarum polycephalumである。かつて菌類に分類されていましたが、現在では独自の生物学的実体であると理解されています。昨年のACMのユーザーインターフェースソフトウェアとテクノロジー（UIST）シンポジウムでは、シカゴ大学のヒューマンコンピュータインテグレーションラボのJasmine LuとPedro Lopes氏がスライムカビに統合されたスマートウォッチを発表しました。また、中国の温州大学、ベトナムのDuy Tan大学、イランのテヘラン大学、オーストラリアのTorrens大学の国際チームは、最適化問題に対処するためのスライムカビアルゴリズム（SMA）を提案しました。
新しいフロンティア？
バイオコンピューティングの最新領域は、おそらく最も驚くべきものでもあります。Organoid Intelligence（OI）プロジェクトは、アメリカのジョンズ・ホプキンズ大学、ハワード・ヒューズ医学研究所、カリフォルニア大学サンディエゴ校、オーストラリアのCortical Labs、ドイツのルクセンブルク大学とコンスタンツ大学の研究者を結集しています。このプロジェクトの目的は、脳細胞の三次元（3D）培養物である脳オルガノイドを使用して、強力なバイオコンピュータを構築することです。
2月に、チームはOIを新しい科学的学問として確立するためのロードマップを発表しました。Frontiers in Scienceに掲載されたこの論文では、OIの現状と、直面する科学的、技術的、倫理的課題のいくつかを定義しています。
OIベースのバイオコンピューティングは、入力を記憶し、計算できる人間の幹細胞由来の脳オルガノイドを展開することを目指しています。これにより、研究者たちは、処理能力、データ効率、およびストレージ能力の進歩を通じてスーパーコンピューティングをサポートすると述べています。
ジョンズ・ホプキンズ大学の毒物学者であるThomas Hartung氏は、すでに3D脳オルガノイドを生成できると述べています。彼らは、高い細胞密度、自発的な電気生理学的活動/反応性、および生物学的学習課題でニューロンをサポートするグリア（「ヘルパー」）細胞の増加など、OIベースのバイオコンピューティングで利用できる属性を持っていると彼は述べています。
「長期記憶を確立するためには、グリア細胞が必要です。彼らは有用でないすべての接続を取り除かなければなりません。シナプスの剪定と呼びます」とHartungは説明します。
しかし、現在の脳オルガノイドは、100,000個以下の細胞から構成されています。Hartung氏は、「彼らは小さい、小さい、小さいです」と述べます。計算や記憶に役立つためには、オルガノイドははるかに大きくする必要があります。これは、Hartung氏によると、大きくすると、これらのモデルは中心で腐敗しますという主要な実用的課題があります。
オルガノイドのスケーラビリティー（最大約1000万のニューロン細胞まで）は、今後の主要な研究目標の1つです。また、生存性と耐久性も課題となっています。オルガノイドのホメオスタシスをサポートするためのマイクロ流体パーフュージョンシステムの開発や、ストレージと処理の課題に取り組んでいます。
ただし、Hartung氏は、オーストラリアのメルボルンのCortical LabのBrett Kagan氏によって、昨年10月にコンセプトの証明がされたことを指摘しています。Kagan氏は、胚性マウスおよび人工誘導多能性幹細胞（hiPSC）に基づく生きたニューロンから作成された合成生物学的知能（SBI）システムであるBrainDishを発表しました。合成細胞培養物は、1970年代のアーケードゲームPongのシミュレーションで学習し、改善する能力を示しました。
時間はかかるかもしれませんが、細菌、スライムカビ、菌糸体からヒトの脳細胞まで、様々な生物がいつか私たちのデバイスの動力源となるかもしれません。
K.J. Bannanは、ニューヨーク州マサペクアに拠点を置くライター兼編集者です。彼女は最新のテクノロジーをレビューするPM Magazine First Looksチームでキャリアをスタートしました。現在、ビジネス、テクノロジー、健康、個人金融、ライフスタイルに関するトピックをカバーするフリーランスライターです。
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