Pesquisadores do MIT desenvolveram bactérias para agirem como transistores, criando “placas de circuito” vivas que podem ser impressas em material de crescimento dentro de placas de Petri.
Na eletrônica tradicional, os transistores atuam como interruptores que controlam se a corrente elétrica pode passar através de um circuito. No sistema do MIT, as células bacterianas projetadas desempenham um papel semelhante, regulando o movimento de pequenas moléculas sinalizadoras. Essas moléculas então transmitem informações para outros componentes do circuito biológico.
Os pesquisadores criaram dois tipos de transistores bacterianos e três cepas bacterianas adicionais que atuam como relés entre eles. Juntas, essas cinco linhagens fornecem um conjunto modular de componentes que podem ser organizados para construir praticamente qualquer tipo de circuito. No novo estudo, a equipe demonstrou um circuito capaz de conectar duas ou três entradas e direcionar uma entrada para um destino selecionado.
“Criamos alguns dos primeiros componentes da arquitetura de computador que são comumente usados, mas qualquer operação pode ser construída com esses cinco tipos”, diz Hamid Dousthouseni PhD ’25, pós-doutorado do MIT e autor principal do novo estudo.
Um uso possível é colocar esses circuitos vivos nas folhas ou raízes das plantas. Lá, as bactérias podem processar informações sobre as condições ambientais, ajudando as plantas a detectar e responder a estresses como secas ou ataques de insetos.
Christopher Voigt, chefe do departamento de engenharia biológica do MIT, é o autor sênior do artigo, que foi publicado recentemente biologia química da natureza. O ex-pós-doutorado do MIT, Haorong Chen, também é autor do artigo.
Convertendo células bacterianas em transistores
Os circuitos de biologia sintética são normalmente criados pela engenharia de células para produzir proteínas e fatores de transcrição que interagem entre si. Esses sistemas podem ser programados para realizar tarefas como detectar uma molécula específica e então produzir uma resposta específica.
Tais circuitos podem executar diversas funções lógicas, mas sua complexidade é limitada. Os pesquisadores normalmente exigem diferentes fatores de transcrição para diferentes operações, para que os sinais não interfiram uns com os outros. Como apenas um número limitado de fatores de transcrição adequados está disponível, existe um limite prático para o quão complexo um circuito pode ser dentro de uma única célula. Colocar muitos circuitos em uma célula também pode sobrecarregar seu maquinário de produção de proteínas.
A equipe do MIT encarou o problema de forma diferente. Em vez de colocar todo o circuito dentro de uma única célula, eles projetaram células individuais para servirem como componentes semelhantes a transistores que poderiam ser combinados em diferentes arranjos.
Para esses componentes, os pesquisadores usaram Pentoea agglomerans, uma bactéria que comumente cresce em superfícies, incluindo plantas. Eles criaram duas versões de um transistor bacteriano que responde a uma molécula chamada OC 6. Um tipo liga quando uma molécula é encontrada, enquanto o outro desliga.
Cada transistor também detecta uma segunda molécula alvo, OC 12. Dependendo se OC 12 está presente e se o transistor está ativado, a célula bacteriana produz uma molécula de saída chamada OHC 14.
unindo células vivas
A equipe então projetou três cepas de Pantoea agglomerans para atuarem como retransmissores. Estas células convertem o sinal OHC 14 em outra saída que pode servir de entrada para o próximo transistor. Desta forma, componentes bacterianos individuais podem ser “conectados” entre si como partes de uma placa de circuito eletrônico.
Por exemplo, os pesquisadores criaram uma chave bidirecional usando dois transistores que detecta OC12. Dependendo de uma entrada de chave diferente, o sistema envia essas informações através de várias tensões de relé antes de enviá-las para transistores adicionais para processamento adicional.
Para montar o circuito, os pesquisadores imprimiram colônias bacterianas em placas contendo ágar, que funciona como meio de crescimento. Cada colônia estava localizada a uma distância de cerca de 5 milímetros de sua vizinha mais próxima. Esta diferença ajuda a garantir que os sinais químicos alcancem apenas a próxima colónia na sequência, permitindo que a informação se mova através do circuito numa única direcção.
Construindo circuitos biológicos mais complexos
Os pesquisadores mostraram que um único transistor bacteriano poderia realizar múltiplas operações lógicas dependendo de sua posição dentro do circuito. Estes incluíam portas “multientradas”, “OR” e “IMPLY”.
Ao adicionar vários transistores, a equipe também criou sistemas mais sofisticados. Os circuitos podem combinar dois sinais, processar vários sinais ao mesmo tempo ou servir como um demultiplexador, que recebe um sinal de entrada e o encaminha para um dos vários destinos possíveis com base em um sinal de controle diferente.
O maior circuito demonstrado no estudo continha 24 colônias bacterianas interconectadas e foi projetado para conectar duas entradas.
“Este trabalho mostra que podemos avançar para funções mais complexas combinando funções simples em células individuais”, diz Voigt. “Computacionalmente, não há nada que o seu iPhone possa fazer que esses circuitos não possam fazer.”
No entanto, há uma grande diferença na velocidade. Cada cálculo realizado pelo circuito bacteriano leva cerca de oito horas, muito mais do que um computador eletrônico exigiria. No entanto, para aplicações biológicas, os investigadores dizem que a velocidade ainda pode ser prática.
“Não estamos tentando substituir os computadores, mas sim colocar o controle computacional na biologia. Se você tiver bactérias na raiz de uma planta, ou se a própria planta estiver computando, executar um cálculo simples durante a noite é significativamente mais rápido em relação a uma estação de crescimento”, diz Voigt.
computador de sobrevivência para agricultura
Uma aplicação possível é a agricultura. Se esses circuitos pudessem eventualmente ser colocados nas raízes das plantas, eles poderiam ser programados para detectar diferentes formas de estresse. Quando o sistema reconhece um determinado sinal, pode desencadear uma resposta correspondente, como a produção de fungicidas.
A pesquisa foi financiada, em parte, pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA e pela Atividade de Projetos de Pesquisa Avançada de Inteligência dos EUA.
