Circuitos formados por células.
Dennis Lenz
(Imagen simbólica) En el Instituto Tecnológico de Massachusetts, investigadores han modificado la bacteria Pantoea agglomerans para que las colonias individuales asuman el papel de transistores. En lugar de una corriente eléctrica, controlan el flujo de pequeñas moléculas de señalización que se propagan a las colonias cercanas. Dos tipos de transistores y tres troncales de relés forman un conjunto de cinco troncales a partir del cual se puede montar casi cualquier circuito. El circuito más grande mostrado constaba de 24 colonias individuales.
(Foto: © Investigación y conocimiento)
Un transistor es un interruptor y sin miles de millones de transistores ninguna computadora funciona. Los investigadores del MIT han construido este interruptor a partir de algo que vive: bacterias que crecen en un medio de cultivo y pueden organizarse en placas de circuito impreso reales. En lugar de electricidad, a través de él fluyen moléculas de perfume, y el circuito más grande construido hasta la fecha incluye 24 colonias.
En electrónica, el transistor realiza una tarea muy sencilla: deja pasar la corriente o la bloquea, controlado por una tercera señal. A partir de esta operación básica se pueden construir todas las conexiones lógicas y su combinación crea unidades aritméticas, memorias y, en última instancia, computadoras completas. Desde hace unas dos décadas, la biología sintética persigue la idea de transferir el mismo principio a las células vivas. En cualquier caso, las células no hacen más que recibir señales, procesarlas y desencadenar reacciones; Reconocen nutrientes, toxinas o sustancias mensajeras de otras células y adaptan su comportamiento. Cualquiera que pueda programar específicamente estos procesos podría crear bacterias que puedan reconocer patógenos, detectar contaminantes o producir medicamentos exactamente cuando sean necesarios.
Sin embargo, el camino recorrido hasta ahora ha encontrado un difícil límite. Normalmente, estos circuitos están completamente encerrados en una sola célula que incorpora genes para proteínas y los llamados factores de transcripción que se activan y desactivan entre sí. Cada operación informática independiente requiere su propio factor de transcripción para que las señales no interfieran entre sí. Sin embargo, sólo está disponible un número limitado de estos interruptores moleculares, lo que limita su complejidad. También hay un segundo problema: si se insertan demasiados circuitos en una célula, su fábrica de proteínas se sobrecarga, el crecimiento se detiene y la estructura se vuelve inestable.
Una bacteria se convierte en un componente.
El equipo dirigido por Christopher Voigt, jefe del departamento de ingeniería biológica del MIT, con el investigador postdoctoral Hamid Doosthoseini como primer autor, invirtió el enfoque. En lugar de sobrecargar una celda con un circuito completo, cada colonia de células toma solo un componente y el cableado se realiza fuera de las celdas. Como base, los investigadores eligieron Pantoea agglomerans, una bacteria que crece de forma natural en las superficies, incluidas las plantas. Las colonias se pueden imprimir en un medio nutritivo en una placa de Petri, similar a las pistas conductoras en una placa de circuito, como describe el MIT en su comunicación sobre el estudio. Pequeñas moléculas de señal viajan entre sí a través del medio y transmiten información.
Cinco cofres como kit de construcción completo
Se construyeron dos tipos diferentes de transistores y tres cepas bacterianas adicionales que actúan como relés entre los transistores, es decir, transmitiendo y actualizando señales. Juntos, estos cinco troncos forman un kit de construcción modular que, dependiendo de quién esté involucrado, se puede utilizar para diseñar prácticamente cualquier tipo de circuito. Doosthoseini formula esto señalando que primero construyeron algunos componentes básicos comunes de la arquitectura informática, pero que cualquier operación puede estar compuesta de estas cinco raíces. La principal ventaja sobre la solución de una celda radica en la división del trabajo: dado que cada colonia realiza solo una tarea, los componentes ya no compiten por los recursos limitados de la misma celda y el número de interruptores disponibles ya no limita el tamaño del circuito.
Cómo funciona un interruptor bacteriano
La lógica de conmutación real se basa en un mecanismo que las bacterias utilizan en la naturaleza para comunicarse. Tres moléculas de señal trabajan juntas: una decide, por así decirlo, si el transistor puede funcionar, una segunda proporciona la información que debe procesarse y una tercera se genera como señal de salida que una colonia vecina puede reconocer. Esto significa que una misma colonia se comporta de manera diferente dependiendo de la combinación de señales entrantes, lo que corresponde exactamente a la función de un transistor. En los experimentos, las redes resultantes realizaron operaciones lógicas, agregaron dos o tres entradas, procesaron señales en paralelo y específicamente reenviaron una sola entrada a una ubicación específica en el circuito. El circuito más grande demostrado constaba de 24 colonias que se comunicaban entre sí y funcionaban como un sumador de dos entradas.
Porque una computadora así debe ser lenta.
Quienes piensan en la competencia por el silicio se equivocan y los investigadores no lo ocultan. Los electrones se mueven a lo largo de pistas conductoras a una fracción significativa de la velocidad de la luz, mientras que las moléculas de señal se difunden a través de un medio nutritivo, es decir, migran mediante un movimiento térmico aleatorio. Una operación computacional que un procesador completa en una fracción de nanosegundo lleva horas en un circuito tan vivo. Por tanto, la cuestión no está en la velocidad, sino en la posición. Una bacteria puede llegar donde no pueden llegar las astillas: en la superficie de una hoja, en una raíz, en el suelo, en una herida o en el intestino. Se reproduce, se alimenta de su entorno y se descompone una vez finalizado su trabajo en lugar de quedarse como residuo electrónico.
El lugar obvio de uso es la planta.
Esto es exactamente lo que pretende hacer la aplicación mencionada por los investigadores. Dado que Pantoea agglomerans vive de todas formas en las plantas, dichos circuitos podrían aplicarse a hojas o raíces. Allí podrían evaluar las condiciones ambientales y ayudar a la planta a reaccionar ante la sequía, la deficiencia de nutrientes o las plagas liberando una molécula de señalización adecuada tan pronto como se cumplan varias condiciones al mismo tiempo. El atractivo reside en este sentido: un único sensor informa sólo un valor, mientras que un circuito puede combinarlos, es decir, reaccionar sólo si está seco y al mismo tiempo se detecta un hongo específico. También son posibles aplicaciones en el control medioambiental, donde las bacterias detectan determinadas combinaciones de sustancias en el agua o el suelo.
Lo que falta hasta que se presente una solicitud
Sin embargo, existe una distancia considerable entre la placa de Petri y la práctica. En el laboratorio existen condiciones constantes, un medio nutritivo uniforme y una temperatura controlada; Sin embargo, en una hoja del campo, la humedad, el calor y la disponibilidad de nutrientes fluctúan constantemente, y otros microorganismos compiten por el mismo espacio. Tampoco está claro qué tan estables permanecen los componentes genéticos incorporados a lo largo de muchas generaciones de células, porque las bacterias mutan y las construcciones que cuestan energía a menudo se pierden en el curso de la reproducción. También está la cuestión de la liberación: la liberación de bacterias genéticamente modificadas en los cultivos está estrictamente regulada en la Unión Europea y sería socialmente controvertida. Estos obstáculos no se aplican en la misma medida al uso en laboratorio, por ejemplo en diagnóstico o en biorreactores cerrados.
La informática como propiedad de los sistemas vivos.
Más allá de la tecnología concreta, hay una idea fundamental detrás del trabajo. Si las operaciones computacionales pudieran incorporarse a los sistemas vivos, la línea entre organismo y dispositivo se volvería borrosa. Las plantas, los microbios o hábitats enteros podrían sentir y responder a las condiciones sin que intervenga un solo componente electrónico. Desde el punto de vista de la ingeniería, se trata de un cambio de perspectiva: en lugar de introducir sensores en la naturaleza, la naturaleza misma se convierte en un sensor. Hasta entonces, el uso práctico sigue siendo modesto y la potencia informática mínima, pero con cinco tribus y 24 colonias está disponible por primera vez un kit cuyos componentes se pueden combinar como se desee. Éste fue exactamente el punto de partida del transistor de silicio hace setenta años.
