Revoluție în tehnologie: 'Tranzistori vii' din bacterii, circuite biologice care pot procesa semnale și executa operații logice

Cercetătorii de la MIT au făcut un pas spectaculos spre computere biologice, transformând bacterii în componente capabile să funcționeze asemenea unor tranzistori. Celulele pot fi conectate între ele pentru a transmite și procesa semnale, formând adevărate circuite biologice care pot fi imprimate pe un mediu de cultură într-o placă Petri.

În electronica tradițională, tranzistorul controlează circulația curentului electric. În sistemul creat de cercetătorii americani, „tranzistorii vii” controlează însă molecule care transmit informații de la o celulă la alta.

Echipa a proiectat două tipuri de tranzistori biologici și trei tulpini de bacterii capabile să funcționeze ca relee între componente. Cercetătorii au demonstrat deja circuite care pot combina două sau trei semnale de intrare, pot direcționa un semnal către o anumită zonă și pot executa operații logice.

„Am construit câteva componente de bază folosite în arhitectura calculatoarelor, dar cu aceste cinci tulpini poate fi realizată practic orice operație”, spune Hamid Doosthosseini, cercetător postdoctoral la MIT și autor principal al studiului.

Bacteriile, transformate în componente ale unui circuit

Pentru realizarea sistemului, cercetătorii au folosit bacteria Pantoea agglomerans, întâlnită în mod obișnuit pe suprafețe, inclusiv pe plante.

Cele două tipuri de tranzistori biologici pot fi activate sau dezactivate de molecula OC-6 și pot detecta o altă moleculă, OC-12. Combinația dintre cele două semnale determină producerea unei molecule de ieșire, OHC-14.

Aici intră în joc celelalte trei tulpini bacteriene. Acestea funcționează ca relee, transformând semnalul primit într-unul care poate fi transmis următorului tranzistor.

Practic, cercetătorii au găsit o modalitate de a „cabla” bacteriile între ele, într-un mecanism care amintește de conectarea componentelor unei plăci electronice.

Un circuit bacterian a ajuns la 24 de colonii

Pentru a construi circuitele, coloniile bacteriene sunt imprimate pe plăci cu agar, un mediu de cultură. Acestea sunt amplasate la aproximativ cinci milimetri una de cealaltă, astfel încât semnalele să ajungă la colonia vecină și să fie transmise mai departe.

Cercetătorii au reușit să creeze circuite care efectuează mai multe operații logice și chiar un sistem capabil să adune două semnale.

Cel mai mare circuit realizat în cadrul studiului a inclus 24 de colonii bacteriene conectate între ele.

„Acest studiu arată că putem ajunge la funcții mai complexe prin conectarea unor funcții mai simple realizate de celule individuale. Din punct de vedere computațional, nu există nimic ce poate face iPhone-ul tău și aceste circuite să nu poată face”, afirmă Christopher Voigt, coordonatorul Departamentului de Inginerie Biologică al MIT și autor principal al studiului.

Opt ore pentru un calcul, dar miza este alta

Noii „tranzistori vii” sunt departe de viteza unui computer convențional. Un calcul realizat cu ajutorul acestor circuite durează aproximativ opt ore.

Pentru cercetători, însă, viteza nu este obiectivul. Scopul este introducerea capacității de calcul direct în sisteme biologice.

„Nu încercăm să înlocuim calculatoarele, ci să introducem capacitatea de calcul în biologie”, explică Voigt.

Iar aici apare partea cu adevărat interesantă. În viitor, astfel de circuite ar putea fi aplicate pe frunzele sau rădăcinile plantelor pentru a detecta seceta, atacurile dăunătorilor sau alte modificări ale mediului.

Un semnal biologic detectat de bacterii ar putea declanșa apoi un răspuns al plantei, de exemplu producerea unei substanțe cu rol fungicid.

Studiul, care deschide o direcție nouă pentru biologia sintetică și calculul biologic, a fost publicat în revista Nature Chemical Biology.