Wetenschappers kweken wiskundige bacteriën

Een groep onderzoekers van verschillende Amerikaanse universiteiten heeft genetisch gemodificeerde bacteriën gekweekt. De gemuteerde E. coli-stam bleek in staat te zijn om specifieke wiskundige vraagstukken op te lossen.

Onderzoekers van de universiteiten van Missouri en North Carolina hebben hun bacteriële kweekjes zodanig gemanipuleerd dat er wiskundige problemen mee opgelost kunnen worden. De bacteriën konden dankzij genetische modificatie Hamiltonpaden berekenen. Een jaar eerder maakten de onderzoekers al gebruik van speciaal gekweekte bacteriën om het sorteervraagstuk op te lossen dat bekendstaat als het Burnt Pancake Problem.

De wetenschappers gebruikten Escherichia coli-bacteriën, een door wetenschappers veelgebruikte soort waarvan het volledige DNA bekend is en waar vele mutaties met specifieke eigenschappen van zijn. De onderzoekers van de Missouri Western State University en het Davidson College uit North Carolina bedrijven een wetenschap die als synthetische biologie bekend staat, waarbij door middel van genetische manipulatie nieuwe eigenschappen aan organismes worden toebedeeld. Een aantal van die nieuwe eigenschappen, waaronder het vermogen van E. coli om fluoriscerende eiwitten te produceren, wordt via een centrale databank gedeeld met de wetenschappelijke gemeenschap.

Reacties (63)

[YellowOnline]

Surreëel toch wel. Omdat de werking in het artikel niet uitgelegd wordt probeer ik het zelf: een Hamilton pad-vraagstuk houdt in of er een route is van een punt A naar punt B in een netwerk waarbij elk tussenstation slechts één keer bezocht wordt. Als ik het goed begrijp (als!) deze bacterie vermenigvuldigt zich binnen een netwerk en is gewijzigd op zo'n manier dat het zichzelf niet mag tegenkomen op tussenstations die het reeds bezet.

[sirdupre]

Het gaat niet over een punt A en een punt B in een netwerk, het gaan om een willekeurig netwerk (met dus nodes en edges tussen die nodes). De vraag is dan of er een pad bestaat dat elke nodes precies één keer bezoekt - oftewel een simpel pad van precies n-1 edges, als n het aantal edges is en waar simpel inhoudt dat elke node maar één keer op het pad mag liggen.

Wat hier vooral interessant aan is, is het punt dat Hamiltonian Path een NP-volledig probleem is en dus sterk samenhangt met andere lastige combinatorische problemen. Ik ben dus ook vooral benieuwd in hoeverre deze techniek schaalt naar grotere instanties van het Hamiltonian Path probleem - als bacteriën wat dat betreft veel beter schalen dan reguliere computers kan dit wel degelijk een heel interessante ontdekking zijn.

edit: ik lees nu dat het gaat om een netwerk van maar liefst 3 knopen. Dat kun je oplossen door te kijken of er een knoop is die twee buren heeft. Klinkt al een stuk minder indrukwekkend dan Hamiltonian Pad. Misschien maar eens kijken of ik het artikel zelf op de kop kan tikken...

[Reactie gewijzigd door sirdupre op 27 juli 2024 17:21]

[BtM909]

Of 't bacterie vermijdt zichzelf waardoor je uiteindelijk het Hamilton pad vraagstuk oplost

[Kalief]

Geanimeerde flash-uitleg over flippende bacterii:
http://www.bio.davidson.e..._talk/Living_computer.swf

[Duim]

Top film. Dat is heel anders dan ik dacht dat iets dergelijks werkte.

[Anoniem: 231661]

Voor wat meer diepgang omtrent synthetische biologie kan je het volgende eens bekijken: http://nl.wikipedia.org/wiki/Synthetische_biologie en
http://nl.wikipedia.org/wiki/Genetische_modificatie

[Reactie gewijzigd door Anoniem: 231661 op 27 juli 2024 17:21]

[Atomsk]

Hmm, de weergave van dit nieuws op Tweakers is toch een beetje sensationeel. In de bron staat duidelijk Bacterial Computers': Genetically Engineered Bacteria Have Potential To Solve Complicated Mathematical Problems.

Pontentie dus, niet dat ze daadwerkelijk wat opgelost hebben. In tegenstelling met de plaatjes hebben ze dit "path" probleem dan ook maar met 3 nodes getest.

The student and faculty researchers modified the genetic circuitry of the bacteria to enable them to find a Hamiltonian path in a three-node graph. Bacteria that successfully solved the problem reported their success by fluorescing both red and green, resulting in yellow colonies.

Wat succes is, is dan altijd een kwestie van interpretatie. Tegen die tijd dat dit artikel in de Telegraaf verschijnt, zal het echter wel een kop hebben als "Intelligente monsterbacteriën bedreiging voor mensheid??".

[Frituurman]

Pfff.. straks mag je ook geen bacteriën meer meenemen naar een examen en worden examens e.d. afgelegd in een extreem schone ruimte zoals we die nu alleen nog maar in chip laboratoria zien..

On-topic: Waar is dit allemaal goed voor? Wat is de praktische toepassing hiervan? Of heb ik daar in de gauwigheid overheen gelezen?

[Martin-S]

Als antwoord op je vraag een mooi voorbeeld met betekking tot het "burnt pancake vraagstuk". Een stapel pannekoeken sorteren op grootte en dan ook nog eens met de mooie kant naar boven. De pannekoeken mogen alleen omgedraait (geflipt) worden

As the number of pancakes increases, solving this problem quickly becomes very hard. There’s no equation that will give the correct answer; it is necessary to explore all the possible configurations of the stack of pancakes. For six pancakes, there are 46,080 configurations. For 12 pancakes, there are about 1.9 trillion.

“These problems get so immense that even having a huge network of computers is not enough,” says Karmella Haynes, the lead researcher. "Because the number of bacteria in a colony grows exponentially, a single bacterium engineered to perform the flipping problem in its DNA will soon become several billion or trillion little bacterial computers. Each bacterium in the colony can then compute a separate flipping scenario. These 'bacterial computers' could act in parallel with each other, meaning that solutions could potentially be reached quicker than with conventional computers, using less space and at a lower cost."

In addition to parallel computation, bacterial computing also has the potential to utilize repair mechanisms and, of course, can evolve after repeated use."

Het zou dus relatief simpel zijn om een gigantische parallelle computer te bouwen. Omdat het aantal bacteriën zich exponentieel uitbreidt heb je al snel een gigantisch aantal "processoren"

bron: http://www.nanowerk.com/news/newsid=5813.php


[edit]gignaitsch veranderd naar gigantisch

[Reactie gewijzigd door Martin-S op 27 juli 2024 17:21]

[robvanwijk]

De grap is dat van al die bacteriën het grootste deel een verkeerd antwoord berekend zal hebben, dus die moet je nog wel eruit werken. Daar komt een andere truc bij kijken:

quote: http://en.wikipedia.org/wiki/Burnt_pancake_problem

The bacteria report when they have solved the problem by becoming antibiotic resistant.
originele bron

[Sorcix]

Organische rekenmachines!

Misschien hebben we ooit een doos bacteriën inplaats van een CPU (zoals hij nu werkt).

[Reactie gewijzigd door Sorcix op 27 juli 2024 17:21]

[olafvs]

Ik denk niet dat bacteriën zich ooit zo snel kunnen delen.

[metaal]

Wellicht niet met de kloksnelheid van een normale CPU, maar als ze per 'cycle' een veel ingewikkelder probleem kunnen oplossen dan slechts 'MOV AX, 02h' en 'SUB bx, cx' wordt het misschien nog wat.

[robvanwijk]

Laatste keer dat ik er iets over hoorde ging het vooral over enorm parallel werken. Dus eerst flink wat bacteriën opkweken (als je genoeg voedsel aan kunt leveren is dat een exponentieel proces) en daarna de "berekening" starten. Je kunt zo'n Hamilton pad bijvoorbeeld ook vinden met DNA-strengen (sorry dat ik even een iets ander voorbeeld erbij haal, maar deze kan ik tenminste uitleggen).
Voor elk knooppunt bedenk je een codering in base-paren (moeten allemaal even lang zijn). Hierna kies je voor elke verbinding een lengte (als ik me goed herinner: machten van twee). Nu kun je voor elke verbinding in de graaf een stukje DNA creeëren: een middenstuk van de correcte lengte, en (enkelstrengs!) stukjes aan het begin en eind die bij de correcte knooppunten horen. Gooi het allemaal in een bakje, laat het lekker vaak kopiëren en gooi er daarna een enzympje bij dat de enkelstrengs begin- en eindstukjes aan elkaar koppelt. Eventjes geduld, zoeken naar strengen van de correcte lengte en zodra je die gevonden hebt kun je de route uitlezen.
Hierbij gaat het er dus uiteindelijk om dat elke "core" niet heel erg snel is, maar dat je (letterlijk) net zoveel "cores" op kunt kweken als je wilt, voordat de "berekening" start. In sommige opzichten lijkt dit een beetje op een quantum-computer: je moet op een volstrekt andere manier leren "programmeren" maar daarna worden (in principe) alle mogelijke oplossingen van het probleem tegelijkertijd geprobeerd.

[equinoxe]

Probleem met bacteriën is ook dat als ze delen tevens aan het vermenigvuldigen zijn

[bwerg]

Je zult je verbazen over hoe weinig praktisch nut de meeste onderzoeken hebben . Het idee is ook meer dat van de 100 onderzoeken, er ééntje een directe toepassing vindt, en van de overige 99 zal de helft gebruikt worden als basis voor nieuw onderzoek en ervaring.

[Recursio]

Onderzoek dat resulteert in "bouwstenen" lijkt wel vaker weinig of soms zelfs geen praktische toepassingen te hebben. Totdat er iemand op het lumineuze idee komt om bouwsteen X voor probleem Y in te zetten.

Mijn favoriete voorbeeld is de Post-It note. De uitvinder, destijds werkzaam bij 3M, was op zoek naar een nieuw soort lijm. Het type dat hij maakte had echter bijzonder weinig kleefkracht. Bleek wel heel geschikt om papiertjes mee vast te plakken op bijna alle oppervlakken, zelfs herhaaldelijk.

Moraal: misschien weet je nu nog niet waarvoor iets nuttig is, maar de kans is groot dat iemand wel een toepassing bedenkt, of de vinding als opstapje naar een verbeterde versie gebruikt, of als een gedocumenteerde methode die niet optimaal is en willicht vermeden moet worden.

Dat wil natuurlijk niet zeggen dat alle vruchten van de wetenschap nuttig zijn. Google maar eens op morosofie: kun je lachen.

http://www.google.ie/sear..._nlo=&as_nhi=&safe=images

[Anoniem: 175445]

Uit wikipedia:

Een morosofie (van het Grieks Μόρια: gekte en Σοφία: wijsheid) is een evident absurde waanwetenschappelijke theorie.

Geen echte wetenschap dus. Hoewel niet alle wetenschap een duidelijk nut heeft, levert goede wetenschap in ieder geval kennis op in een of andere soort. Het is dus niet geheel nutteloos, kennis vinden op zich kan al een doel zijn.

[Recursio]

Nee, geen -echte- wetenschap. Meer -echt geen- wetenschap.

Ik zie wetenschap als een soort glijdende schaal: morosofie is het ene uiterste: er zijn weinig elementen in te herkennen die tezamen een degelijke wetenschappelijke methode vormen. Derhalve kun je weinig met hetgeen het oplevert, behalve er om huilen (e.g. "trepanie") en lachen (e.g. "Atomen zijn ruimteschepen", zie Wikipedialink ).

Aan de andere kant van het spectrum bevinden zich de wetenschappelijk-correct toegepaste methoden, deugdelijke onderbouwingen, etc.

Het gemiddelde individu heeft m.i. doorgaans moeite iets te produceren wat zich aan een van de uitersten van dit spectrum bevindt, maar toch vooral de zuiver wetenschappelijke kant.

[Reactie gewijzigd door Recursio op 27 juli 2024 17:21]

[fevenhuis]

Toch is het niet verkeerd met het nut van een groot aantal experimenten die wordt uitgevoerd met genetische manipulatie op levensvormen aan de kaak te stellen.
Experimenten op het nivo van een welbekende zijde in de 40er jaren, achtenloos experimenteren zonder ethische vragen de stellen of zonder enige vorm van visie voor de eventuele gevolgen.
Of het niet gevaarlijker is om allerhande nieuwe en uiterste gevaarlijke bacterieen te kweken (zonder geldige reden) ipv. dat niet te doen mag voor mij eerste wel even weerlegt worden.

[Anoniem: 92624]

Een 'bekende' Nederlandse morosoof verdedigt hier zijn morosofie. "atomen bestaan uit ruimteschepen".

Het verhaal en de reacties zijn wel een beetje taai om doorheen te komen.

Uiteindelijk leidt die discussie wel tot interessante inzichten, bijvoorbeeld dat de complexiteit van ons heelal ontstaan is uit 3 basis deeltjes.

[Reactie gewijzigd door Anoniem: 92624 op 27 juli 2024 17:21]

[dasiro]

verkenning en en in kaart brengen van (on)bekend terrein zijn zo al 2 toepassingen die ik zo kan verzinnen.

[teek2]

Precies, zoals Marie Curie zei:
"We must not forget that when radium was discovered no one knew that it would prove useful in hospitals. The work was one of pure science. And this is a proof that scientific work must not be considered from the point of view of the direct usefulness of it. It must be done for itself, for the beauty of science, and then there is always the chance that a scientific discovery may become like the radium a benefit for humanity. "

[TtL8e7ay]

Ze wist toen nog niet dat ze uiteindelijk dood zou gaan aan die straling (kanker), maar dat maakt haar standpunt niet minder geldig.

[Anoniem: 92624]

In het begin stopten ze het overal in . In tandpasta etc. Voor die mooie 'Stralende' glimlach.

[Peregrine]

Nou...

Als je bacteriën kan laten doen wat je wilt kan dat hele krachtige oplossingen brengen. Dit gaat om een wiskundig probleem, maar bedenk dat dit al vele malen complexer is dan de opdracht van de 1e computer (reken het 1e priemgetal uit, als ik het me goed herinner)

Met een beetje bij sleutelen kunnen ze helpen in de nanotechnologie om gestructureerd (complexe) constructies te maken. Nanotubes kunnen al zo worden gemaakt, misschien straks zo ook wel in hele interessante vormen, en / of (misschien juist daardoor) met hele interessante eigenschappen?

[XGmode]

mss een compleet Organische PC, waarbij de bacterien de rekeneenheid vormt? hahaha

[Stoney3K]

Bio-neural gel packs? Het idee is niet nieuw hoor.

[engelbertus]

ach ja.. als jij bij vraag 1 je bacterien aan het werk zet, moet je vervlgens erop gaan zitten om een beetje goeie temperatuur te krijgen voor die dingen, en dan anderhalf uur wachten.
vervolgens krijg je een 1 voor je broedkunsten, want je bacterien zijn goed aan het werk geweest, maar uiteraard nog lang niet klaar mnet rekenen

[Toontje_78]

Synthethische biologie staat nog in de kinderschoenen; dit is dan ook gemodificeerde biologie. Synthetische biologie is dus niet de juiste noemer..

Nu nog mieren, over een paar jaar (decaden?) een duidelijk verschil tussen de twee. (Volledig van de grond af opgebouwde organismen vs. aangepast-DNA-maar-standaard-organellen.)

[? ?]

Ach, dit is spelen met legoblokjes toch? Hoe werkt DNA dan wel? En dan bedoel ik, hoe voeren die paren een celdeling uit dat uiteindelijk een koe wordt.
Dat weet men toch nog voor geen meter?

Dat is een beetje als met een hex-editor een programma wijzigen: dan kun je ook wat strings vervangen en weet je bv dat deze functie een som berekent. Maar hoe dat programma uitgevoerd wordt, is een raadsel.

Of heeft men daar al meer zicht op? Wat ik bedoel is: men heeft geen idee hoe men bv. een organisme kan maken met 5 benen, die 2 hoofden heeft, met een voelspriet antenne om radiosignalen op te vangen, etc.

^^ Wat ik uit die Flash animatie opmaak (eens vlug gekeken), is dat men bacteriën laat doen (met miljoenen tegelijk) en de uiteindelijke overlevende bacteriën voldoen aan de vereiste. (zo'n beetje evolutie?)

[Reactie gewijzigd door ? ? op 27 juli 2024 17:21]

[Toontje_78]

Het best kan je de huidige staat van modificatie schetsen als het hergebruiken van stukken code in andere programma's. De struktuur van het programma verandert dan niet, maar een output verandert door verandering van een bewerking.

[superwashandje]

ik geloof dat hier de term mutatie iets te veel gebruikt word en vooral onterecht;
http://en.wikipedia.org/wiki/Mutation

genetische modificatie is niet het veroorzaken van mutaties. mutaties zijn random en niet te voorspellen, bij genetische modificatie is er van tevoren bekend wat er veranderd gaat worden. Bijvoorbeeld bij de E.coli die het fluorescerende GFP maakt. Hierbij is dna ingebracht wat codeert voor dat eiwit en zijn geen toevallige veranderingen in het dna aangemaakt.

ook snap ik eigenlijk niet wat die GFP producerende E.coli stammen te maken hebben met dit onderzoek/bericht

[DwarV]

Uit het originele artikel:

The student and faculty researchers modified the genetic circuitry of the bacteria to enable them to find a Hamiltonian path in a three-node graph. Bacteria that successfully solved the problem reported their success by fluorescing both red and green, resulting in yellow colonies.

De GFP/YFP/etc is dus gebruikt als signaaleiwit, zodat de wetenschappers onder de microscoop konden zien dat de bacteriën het probleem hadden opgelost. De afbeelding van de hamiltoniaanse paden in het artikel is naar mijn mening wel wat overdreven, als je leest dat de bacteriën een pad in een netwerk van 3 nodes moesten zoeken. In mijn mening is een gemodificeerde bacterie trouwens wel degelijk een mutant van zijn parent strain.

[Reactie gewijzigd door DwarV op 27 juli 2024 17:21]

[superwashandje]

ok, dat had ik dus nog niet gelezen en lijkt al iets logischer, wel jammer dat het dan niet hier in het artikel staat maar er los van lijkt te staan.

en waarom zou het een mutant zijn? volgens de definitie van mutatie/mutant past het niet echt he?

[timonb]

Het is maar net vanuit welk perspectief je kijkt naar de mutatie. Kijk je vanuit de mens, dan is de mutatie inderdaad een modificatie.

Bekijk je het echter vanuit de bacterie, dan is er iets in de buitenwereld dat de bacterie genoodzaakt is om te muteren. Dat iets, kan zijn een mens die een stofje in de leefomgeving gooit, of misschien is er wel een natuurlijke oorzaak waardoor er gemuteerd moet worden.

Mutaties worden immers veroorzaakt door verandering en een drang tot overleven van de soort.

[Chello200]

Een beetje sci-fi achtig, wellicht in de verre verre toekomst maken mensen hun machines niet alleen meer met metaal maar ook met biologische componenten. Levende ruimteschepen oid.

[BtM909]

Overigens voor de liefhebbers: http://en.wikipedia.org/wiki/Pancake_sorting

[Anoniem: 290874]

Het grootste probleem in het experiment bleek ook te zijn om aan een bacterie uit te leggen wat een Hamiltonpad is. Maar toen dat eenmaal duidelijk was, hadden ze het zó opgelost.