Científicos del MIT convierten bacterias en transistores vivos para crear circuitos biológicos

Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) lograron convertir bacterias en transistores vivos, lo que permite la creación de circuitos biológicos que pueden realizar cálculos y dirigir señales químicas. Esta innovadora tecnología tiene el potencial de ser utilizada en plantas, donde podría ayudar a detectar amenazas ambientales y activar defensas de forma automática.

En la electrónica convencional, los transistores funcionan como interruptores que controlan el paso de corriente eléctrica a través de un circuito. En el sistema desarrollado por el MIT, las células bacterianas modificadas desempeñan un papel similar, regulando el movimiento de pequeñas moléculas de señalización que transportan información a otros componentes dentro del circuito biológico.

Los investigadores desarrollaron dos tipos de transistores bacterianos y tres cepas adicionales que actúan como relés entre ellos. Juntas, estas cinco cepas proporcionan un conjunto modular de componentes que pueden ser organizados para construir casi cualquier tipo de circuito. En el estudio reciente, el equipo demostró circuitos capaces de sumar dos o tres entradas y dirigir una única entrada hacia un destino seleccionado.

"Hemos construido algunos componentes iniciales de arquitectura computacional que son comúnmente utilizados, pero cualquier operación puede ser construida con estas cinco cepas", afirmó Hamid Doosthosseini, autor principal del estudio y postdoctorado en el MIT.

Una posible aplicación de estos circuitos vivos es su colocación sobre las hojas o raíces de las plantas. Allí, las bacterias podrían procesar información sobre las condiciones ambientales, ayudando a las plantas a detectar y responder a estrés, como sequías o ataques de plagas.

El estudio fue liderado por Christopher Voigt, jefe del Departamento de Ingeniería Biológica del MIT, y fue publicado recientemente en la revista Nature Chemical Biology. También participó Haorong Chen, ex postdoctorado del MIT.

Los circuitos de biología sintética normalmente se construyen mediante la ingeniería de células para producir proteínas y factores de transcripción que interactúan entre sí. Estos sistemas pueden ser programados para realizar tareas, como detectar una molécula específica y luego producir una respuesta determinada.

Sin embargo, la complejidad de estos circuitos es limitada, ya que generalmente se necesitan factores de transcripción distintos para diferentes operaciones, lo que puede provocar interferencias en las señales. Debido a que solo hay un número limitado de factores de transcripción adecuados, existe un límite práctico sobre cuán complicado puede ser un circuito dentro de una sola célula. Además, empacar demasiados circuitos en una sola célula puede sobrecargar su maquinaria de producción de proteínas.

El equipo del MIT abordó el problema de manera diferente. En lugar de colocar un circuito completo dentro de una sola célula, modificaron células individuales para que funcionaran como componentes similares a transistores que pudieran conectarse en diferentes configuraciones.

Para estos componentes, los investigadores utilizaron Pantoea agglomerans, una bacteria que comúnmente crece en superficies, incluidas las plantas. Modificaron dos versiones de transistores bacterianos que responden a una molécula llamada OC 6. Un tipo se activa al encontrar la molécula, mientras que el otro se desactiva.

Cada transistor también detecta una segunda molécula objetivo, OC 12. Dependiendo de la presencia de OC 12 y si el transistor ha sido activado, la célula bacteriana produce una molécula de salida llamada OHC 14.

El equipo luego modificó tres cepas de Pantoea agglomerans para funcionar como relés. Estas células convierten la señal OHC 14 en otra salida que puede servir como entrada para el siguiente transistor. De esta manera, los componentes bacterianos individuales pueden ser "cableados" juntos, de manera similar a las partes de una placa de circuito electrónico.

Por ejemplo, los investigadores construyeron un interruptor bidireccional utilizando dos transistores que detectan OC 12. Dependiendo de una entrada de interruptor separada, el sistema envía esa información a través de diferentes cepas de relés antes de pasarla a transistores adicionales para un procesamiento más profundo.

Para ensamblar los circuitos, los investigadores imprimieron colonias bacterianas en placas que contenían agar, que sirve como medio de crecimiento. Cada colonia se posicionó a unos 5 milímetros de su vecino más cercano. Este espaciamiento ayuda a garantizar que las señales químicas lleguen solo a la siguiente colonia en la secuencia, permitiendo que la información se mueva a través del circuito en una sola dirección.

El equipo demostró que el mismo transistor bacteriano podía realizar varias operaciones lógicas dependiendo de su posición dentro de un circuito. Estas incluían puertas "multi-entrada", "o" e "implicar". Al conectar múltiples transistores, el equipo también creó sistemas más sofisticados. Los circuitos podían sumar dos señales, procesar varias señales al mismo tiempo o funcionar como un demultiplexor, que recibe una señal de entrada y la dirige a uno de varios destinos posibles según una señal de control separada.

El circuito más grande demostrado en el estudio contenía 24 colonias bacterianas interconectadas y estaba diseñado para sumar dos entradas. "Este trabajo muestra que podemos avanzar hacia funciones más complicadas al conectar funciones más simples en células individuales", comentó Voigt. "Computacionalmente, no hay nada que tu iPhone pueda hacer que estos circuitos no puedan hacer".

No obstante, existe una diferencia importante en la velocidad. Cada cálculo realizado por los circuitos bacterianos tarda aproximadamente ocho horas, mucho más que lo que requeriría una computadora electrónica. Sin embargo, para aplicaciones biológicas, los investigadores afirman que ese ritmo puede ser práctico.

"No estamos tratando de reemplazar computadoras, sino de incorporar control computacional en la biología. Si tienes bacterias en la raíz de una planta, o si la planta misma está haciendo los cálculos, realizar un cálculo simple durante la noche es lo suficientemente rápido en relación con una temporada de crecimiento", concluyó Voigt.

Una posible aplicación de esta tecnología es en la agricultura. Si estos circuitos pueden colocarse eventualmente en las raíces de las plantas, podrían ser programados para detectar diferentes formas de estrés. Cuando el sistema reconozca una señal particular, podría activar una respuesta correspondiente, como la producción de un fungicida.

La investigación recibió financiamiento, en parte, de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzados de Defensa de EE. UU. y de la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzados de Inteligencia de EE. UU..