Într-o mișcare care estompează linia dintre biologie și placa ta de bază, cercetătorii de la MIT au inginerit bacterii pentru a funcționa ca transistori vii, creând „plăcuțe de circuit” biologice care pot fi printate pe o cutie Petri. Pentru că dacă e un lucru de care avem nevoie, e mai multă circuiterie – doar că de data asta, e organică.
În electronica convențională, transistorii acționează ca întrerupătoare care controlează curentul electric. În sistemul MIT, celulele bacteriene inginerite fac ceva similar, dar în loc de electroni, ele reglează mișcarea moleculelor mici de semnalizare. Aceste molecule transportă apoi informații către alte componente din circuitul biologic, creând practic o rețea de calculatoare micuță și moale.
Cercetătorii au construit două tipuri de transistori bacterieni și trei tulpini bacteriene suplimentare care acționează ca relee între ele. Împreună, aceste cinci tulpini formează un kit modular care poate fi aranjat pentru a construi aproape orice tip de circuit. În noul lor studiu, au demonstrat circuite capabile să adauge două sau trei intrări și să direcționeze o singură intrare către o destinație aleasă. Pentru că cine nu are nevoie de un calculator bacterian?
„Am construit câteva componente inițiale de arhitectură de calculator care sunt utilizate în mod obișnuit, dar orice operație poate fi construită cu aceste cinci tulpini”, spune Hamid Doosthosseini, doctorand la MIT și autor principal al studiului. Traducere: Viitorul calculatoarelor ar putea mirosi vag a agar.
O aplicație potențială este plasarea acestor circuite vii pe frunzele sau rădăcinile plantelor, unde ar putea procesa informații de mediu și ajuta plantele să detecteze și să răspundă la stresuri precum seceta sau atacurile dăunătorilor. În sfârșit, o utilizare pentru bacterii care nu implică antibiotice sau mâncare stricată.
Christopher Voigt, șeful Departamentului de Inginerie Biologică de la MIT, este autorul principal, iar lucrarea a fost publicată recent în Nature Chemical Biology. Fostul postdoc MIT Haorong Chen a contribuit și el, probabil numind câteva tulpini.
Circuitele de biologie sintetică implică de obicei inginerirea celulelor pentru a produce proteine și factori de transcripție care interacționează. Aceste sisteme pot fi programate să detecteze molecule și să producă răspunsuri. Cu toate acestea, complexitatea lor este limitată deoarece fiecare operație necesită factori de transcripție distincți pentru a evita interferența semnalului. Există un plafon practic pentru cât de complicat poate deveni un circuit în interiorul unei singure celule – împachetarea prea multor suprasolicită mașinăria de producere a proteinelor. Echipa MIT a ocolit această problemă folosind celule individuale ca componente modulare, nu încercând să înghesuie un întreg circuit într-o singură bacterie.
Pentru componentele lor, au folosit Pantoea agglomerans, o bacterie care crește în mod obișnuit pe suprafețele plantelor. Au inginerit două versiuni de transistori bacterieni care răspund la o moleculă numită OC 6 – unul se activează când întâlnește molecula, celălalt se dezactivează. Fiecare transistor simte, de asemenea, o a doua moleculă țintă, OC 12. În funcție de prezența OC 12 și de starea de activare a transistorului, celula produce o moleculă de ieșire numită OHC 14. E ca un joc molecular de telefon, dar cu chimie.
Echipa a inginerit, de asemenea, trei tulpini de Pantoea agglomerans pentru a acționa ca relee, convertind semnalul OHC 14 într-o altă ieșire care servește ca intrare pentru următorul transistor. Acest lucru permite ca componentele individuale să fie „conectate” împreună, asemănător pieselor de pe o placă de circuit electronic. Au construit chiar și un comutator bidirecțional folosind doi transistori care detectează OC 12, direcționând informația prin relee diferite pe baza unei intrări separate de comutare.
Pentru a asambla circuite, au printat colonii bacteriene pe plăci de agar, distanțând fiecare colonie la aproximativ 5 milimetri de vecina sa. Acest lucru asigură că semnalele chimice ajung doar la următoarea colonie, menținând informația să curgă într-o singură direcție. Nicio vorbă despre dacă au folosit un fier de lipit miniatural.
Cercetătorii au arătat că același transistor bacterian poate efectua multiple operații logice în funcție de poziția sa, inclusiv porți „multi-intrare”, „sau” și „implică”. Prin