Científicos del MIT diseñan circuitos computacionales a partir de bacterias vivas

La computación se asocia tradicionalmente con la electrónica y los chips de silicio. Sin embargo, un reciente avance en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) demuestra que las bacterias pueden cumplir una función similar, creando "placas de circuito" vivas que procesan señales químicas en lugar de eléctricas. Este desarrollo amplía las posibilidades de la biología sintética hacia aplicaciones prácticas en la agricultura y la monitorización ambiental.

La biología sintética ya ha explorado la ingeniería de células para que realicen operaciones lógicas simples mediante la producción de proteínas y factores de transcripción que interactúan entre sí. No obstante, a medida que estos circuitos aumentan en complejidad, surgen desafíos significativos. La cantidad de factores de transcripción compatibles es limitada, y concentrar demasiada funcionalidad en una única célula puede sobrecargar su maquinaria de producción proteica. Para superar estas limitaciones, el equipo del MIT adoptó un enfoque novedoso: distribuir el trabajo computacional entre múltiples células bacterianas.

Los investigadores se centraron en Pantoea agglomerans, una bacteria que se encuentra comúnmente en las plantas. Ingeniaron dos cepas para que actuaran como "transistores" biológicos. Ambas responden a una molécula de señalización denominada OC-6; una cepa se activa en su presencia, mientras que la otra se desactiva. Estas bacterias también son capaces de detectar otra molécula, OC-12, y responder produciendo una señal de salida llamada OHC-14.

Para ensamblar estos circuitos vivos, el equipo utilizó un manipulador acústico de líquidos que imprime colonias de bacterias sobre agar en una placa de Petri. Cada colonia se posiciona a unos cinco milímetros de su vecina más cercana. Esta distancia es clave, ya que permite que las señales químicas producidas por una colonia se difundan y alcancen a la siguiente, pero no a otras más distantes. Al seleccionar cuidadosamente la ubicación de cada cepa, los investigadores pueden controlar el flujo de información a través del circuito, un concepto análogo al enrutamiento de trazas en una placa de circuito impreso convencional.

Una ventaja fundamental de este enfoque modular es que no requiere la modificación genética de las bacterias cada vez que se desea realizar un nuevo cálculo. En cambio, basta con reorganizar las mismas cinco cepas bacterianas para configurar diferentes funciones lógicas. Utilizando esta técnica, el equipo demostró la creación de circuitos capaces de realizar varias operaciones lógicas, incluyendo OR, IMPLY y puertas de entrada múltiple. También ensamblaron semisumadores y sumadores completos para operaciones de adición, así como un demultiplexor que puede dirigir una señal entrante a un destino específico basándose en otra entrada. El circuito más grande demostrado en el estudio estaba compuesto por 24 colonias bacterianas.

Aunque estos "ordenadores" bacterianos son considerablemente más lentos que sus contrapartes electrónicas –un cálculo puede tardar unas ocho horas en completarse, debido al tiempo que tardan las moléculas de señalización en difundirse entre colonias–, esta velocidad es suficiente para las aplicaciones que los investigadores tienen en mente. Un circuito vivo podría aplicarse, por ejemplo, a las raíces o las hojas de una planta para monitorear indicadores de estrés. Si una combinación específica de señales indicara una infección fúngica, el circuito podría procesar esa información y activar la producción de un fungicida. La naturaleza modular del sistema facilita la adaptación a nuevas aplicaciones con solo una reorganización de las colonias bacterianas.