sudoku

Het was al een rage onder ons mensen, maar de puzzel is zo populair dat ook bacteriën een gokje willen wagen. En niet eens zonder succes: Japanse E. coli bacteriën kunnen sinds kort SUDOKU. Dat wil gelukkig niet zeggen dat er spontaan een intelligent bacterieras ontstaan is met alle mogelijke catastrofale gevolgen van dien, maar slechts dat een groep Japanse studenten werkt aan hun project voor een wetenschapswedstrijd.

Of dit direct nuttig is is de vraag, maar een mooi staaltje logisch knutselwerk is het wel, en er zijn weinig leukere manieren te bedenken om het concept van genetische manipulatie aantrekkelijk en wellicht begrijpelijker te maken voor het grote publiek. De website van de Japanners is geweldig ingevuld: van uitgebreide tekst tot animatiefilmpjes, men heeft zich duidelijk veel moeite getroost om de experimenten uit te leggen. Het verdient dus alleszins aanbeveling een kijkje te nemen.

Logisch lekken
Het project werd gebaseerd op het feit dat SUDOKU een logisch spel is, met simpele regels. Door de bacteriën die regels ‘aan te leren’ zouden ze in staat moeten zijn om de puzzel te kraken. Om het geheel behapbaar te houden werden de dimensies van het SUDOKU spel aangepast tot vier vierkantjes van 2 x 2; in totaal 16 vakjes en vier mogelijke waarden (maar, uitbreiden is natuurlijk mogelijk).

De 16 vakjes worden vertegenwoordigd door 16 typen bacteriën, ieder met een eigen identiteit die aangeeft waar hij zich bevindt in het netwerk. Een aantal van hen heeft, net als in de puzzel, een cijfer toegewezen gekregen voor het experiment begint, en zenden een signaal uit. De overgebleven bacteriën ‘kiezen’ een cijfer op basis van de informatie die ze binnenkrijgen van andere bacteriën op een relevante plaats: een bacterie die signalen binnenkrijgt van de waarden 1, 3 en 4 zal zelf dus de waarde 2 aannemen.

Dat doen ze met een buitengewoon ingenieus systeem dat gebaseerd is op een lekkende ‘terminator’ (een stuk in het DNA waardoor het niet kan worden afgelezen): met elk signaal dat binnenkomt wordt één terminator uit het DNA gehaald. Als er drie signalen binnen zijn gekomen is er nog één terminator over, en die lekt dus nog wel eens. Eén zo’n lek zorgt ervoor dat ondanks de terminator het DNA toch wordt afgelezen en de bacterie zelf een signaal gaat produceren.

Zwarte lijst
Hoe vertellen de bacteriën elkaar welk cijfer ze hebben? Als bacterie X een waarde heeft gekregen gaat het een aantal dingen produceren: een stuk RNA (genetische informatie) dat zijn waarde aangeeft, en een virus waarmee het RNA vervoerd kan worden. Het virus verlaat vervolgens de cel en infecteert alle andere bacteriën, die dan dus de waarde doorkrijgen van bacterie X.

Maar als de ontvangende bacterie Y niet in dezelfde rij of hetzelfde blok zit als bacterie X, hoeft het niet naar deze informatie te luisteren. Daarom wordt er met het RNA dat de waarde aangeeft ook een stuk RNA vervoerd waarin de identiteit van de zender in staat. De 16 types bacteriën hebben ieder een ‘zwarte lijst’ van zenders waar ze niet naar hoeven luisteren. Als er dan een virus binnenkomt van één van die bacteriën zijn er in de ontvanger ‘tegen-signalen’ aanwezig die de boodschap vernietigen.

Kleur bekennen
Het hele systeem van moleculaire communicatie en bacteriëel rekenwerk vindt plaats in een reageerbuis, maar uiteindelijk wordt het dan toch zichtbaar gemaakt: een netwerk van zestien bacteriekolonies die ieder in staat is een bepaald signaal te lezen, produceert nu een fluorescent signaal: ’1′ wordt rood, ’2′ wordt blauw, etc. Na een lange bacterievergadering is de SUDOKU opgelost.

Het ’4C3 lek’, zoals de Japanners het noemen, dat de oplossing biedt voor een 2 x 2 SUDOKU, is makkelijk uit te breiden naar ’9C8′ en verder. Toch is het wellicht makkelijker om uw SUDOKU toch zelf uit te rekenen alvorens raad te vragen aan uw darmbewoners. Mijn innerlijke nerd wordt hier niettemin erg vrolijk van: dit is wetenschap op het scherpst van de snede, want de lekkende ‘switch’ is een nieuw stukje genetisch sleutelwerk waarvan de toepassingen eindeloos zijn. Maar vooral laat dit project zien dat genetische manipulatie gewoon leuk kan zijn; logisch puzzelen kan ook met bacteriën. En met een beetje hulp kunnen bacteriën het zelf nu ook.

 

Plaatje: ‘Sudoku quilt’, door Scientific Quilter op Flickr, met Creative Commons licentie (BY 2.0).