In een zet die de grens tussen biologie en je moederbord vervaagt, hebben MIT-onderzoekers bacteriën gemanipuleerd om te functioneren als levende transistoren, waarmee ze biologische 'printplaten' creëren die op een petrischaal kunnen worden geprint. Want als er één ding is dat we nodig hebben, is het meer elektronica - alleen dit keer is het organisch.

In conventionele elektronica fungeren transistoren als schakelaars die elektrische stroom regelen. In het MIT-systeem doen gemanipuleerde bacteriële cellen iets soortgelijks, maar in plaats van elektronen regelen ze de beweging van kleine signaalmoleculen. Deze moleculen dragen vervolgens informatie over aan andere componenten in het biologische circuit, waardoor in wezen een klein, zacht computernetwerk ontstaat.

De onderzoekers construeerden twee soorten bacteriële transistoren en drie extra bacteriestammen die als relais daartussen fungeren. Samen vormen deze vijf stammen een modulaire toolkit die kan worden gerangschikt om bijna elk soort circuit te bouwen. In hun nieuwe studie demonstreerden ze circuits die twee of drie inputs kunnen optellen en een enkele input naar een gekozen bestemming kunnen leiden. Want wie heeft er geen bacteriële rekenmachine nodig?

'We hebben enkele initiële computerarchitectuurcomponenten gebouwd die vaak worden gebruikt, maar elke bewerking kan met deze vijf stammen worden gebouwd', zegt Hamid Doosthosseini PhD '25, een MIT-postdoc en hoofdauteur van de studie. Vertaling: de toekomst van computers zou wel eens vaag naar agar kunnen ruiken.

Een mogelijke toepassing is het plaatsen van deze levende circuits op plantenbladeren of -wortels, waar ze omgevingsinformatie kunnen verwerken en planten kunnen helpen bij het detecteren en reageren op stress zoals droogte of plaagaanvallen. Eindelijk een gebruik voor bacteriën dat geen antibiotica of bedorven voedsel betreft.

Christopher Voigt, hoofd van MIT's Department of Biological Engineering, is de senior auteur, en het artikel is onlangs gepubliceerd in Nature Chemical Biology. Voormalig MIT-postdoc Haorong Chen heeft ook bijgedragen, vermoedelijk door een paar stammen een naam te geven.

Synthetische-biologiecircuits omvatten doorgaans het manipuleren van cellen om eiwitten en transcriptiefactoren te produceren die met elkaar interageren. Deze systemen kunnen worden geprogrammeerd om moleculen te detecteren en reacties te produceren. Hun complexiteit is echter beperkt omdat elke bewerking verschillende transcriptiefactoren vereist om signaalinterferentie te voorkomen. Er is een praktische limiet aan hoe gecompliceerd een circuit in een enkele cel kan worden - te veel erin proppen overweldigt de eiwitproductiemachinerie. Het MIT-team omzeilde dit door individuele cellen als modulaire componenten te gebruiken, in plaats van te proberen een heel circuit in één bacterie te proppen.

Voor hun componenten gebruikten ze Pantoea agglomerans, een bacterie die vaak op plantoppervlakken groeit. Ze manipuleerden twee versies van bacteriële transistoren die reageren op een molecuul genaamd OC 6 - één schakelt aan wanneer het het molecuul tegenkomt, de andere schakelt uit. Elke transistor detecteert ook een tweede doelwitmolecuul, OC 12. Afhankelijk van of OC 12 aanwezig is en de activatietoestand van de transistor, produceert de cel een outputmolecuul genaamd OHC 14. Het is als een moleculair spelletje doorfluisteren, maar dan met chemie.

Het team manipuleerde ook drie stammen van Pantoea agglomerans om als relais te fungeren, waarbij het OHC 14-signaal wordt omgezet in een andere output die als input voor de volgende transistor dient. Hierdoor kunnen individuele componenten aan elkaar worden 'bedraad', net als onderdelen op een elektronische printplaat. Ze bouwden zelfs een bidirectionele schakelaar met behulp van twee transistoren die OC 12 detecteren, die informatie via verschillende relais routeert op basis van een afzonderlijke schakelinput.

Om circuits te assembleren, printten ze bacteriekolonies op agarplaten, met elke kolonie ongeveer 5 millimeter van zijn buurman. Dit zorgt ervoor dat chemische signalen alleen de volgende kolonie bereiken, waardoor informatie in één richting stroomt. Geen woord over of ze een kleine soldeerbout gebruikten.

De onderzoekers toonden aan dat dezelfde bacteriële transistor meerdere logische bewerkingen kon uitvoeren, afhankelijk van zijn positie, waaronder 'multi-input', 'of' en 'imply'-poorten. Door