Cómo MIT construyó circuitos reconfigurables con bacterias diseñadas

La disposición física se convirtió en parte del programa

Los investigadores imprimieron las colonias como puntos sobre agar, con una separación aproximada de 5 milímetros entre colonias vecinas. Esa distancia ayudó a dirigir la comunicación química de una colonia a la siguiente. Por ello, tanto la posición como la identidad de cada punto determinaban cómo avanzaba la información por el circuito.

El procedimiento comenzaba con el diseño de una disposición, seguido del cultivo y la preparación de las cepas modificadas antes de depositarlas sobre el agar. El protocolo experimental describe el crecimiento en agar selectivo y la preparación de las bacterias para su impresión en un formato de múltiples pocillos.

Reconfigurar el sistema significaba cambiar el patrón espacial: qué cepa se imprimía en cada lugar y qué colonias quedaban una junto a otra. El ADN subyacente no tenía que reescribirse para cada nuevo circuito. En otras palabras, parte de la programación pasaba de la ingeniería genética al montaje físico.

Qué operaciones lograron realizar

La arquitectura se probó con circuitos de complejidad creciente, entre ellos:

• Lógica OR, en la que cualquiera de varias entradas puede generar una salida.
• Operaciones de tipo implicación, que combinan las entradas mediante una relación lógica condicional.
• Un demultiplexor de 1 a 4, capaz de dirigir una entrada hacia una de cuatro salidas según las señales de control.
• Circuitos aritméticos, incluidos arreglos de medio sumador y sumador completo.

La demostración del sumador completo utilizó 24 colonias impresas. El resultado mostró que el procesamiento podía distribuirse entre una población cooperativa de bacterias, en lugar de quedar confinado a una sola célula genéticamente sobrecargada.

Ocho horas frente a los nanosegundos del silicio

Cada cálculo tardó aproximadamente ocho horas. En comparación, la lógica de silicio opera en escalas temporales de nanosegundos o incluso menores, por lo que estos circuitos bacterianos son muchos órdenes de magnitud más lentos y no están pensados para sustituir a los procesadores convencionales.

Su posible ventaja es otra: pueden detectar condiciones biológicas o químicas en el lugar donde ocurren y responder sin depender de un sistema electrónico tradicional. La sequía, el ataque de insectos o el desarrollo de una enfermedad vegetal se prolongan durante horas o días; en ese contexto, una respuesta de ocho horas podría ser útil para aplicaciones de control biológico.

El intercambio, por tanto, es velocidad por integración biológica. Un circuito vivo podría combinar señales directamente en el entorno donde se necesita la respuesta y activar después una salida biológica.

Posibles usos en raíces y hojas

Los investigadores señalan los entornos asociados a las plantas como una posible aplicación. Un circuito situado en una raíz o una hoja podría combinar señales relacionadas con la sequía, los insectos o los patógenos, y responder únicamente cuando detectara la combinación adecuada.

En el futuro, un sistema de este tipo podría activar la producción de un compuesto fungicida u otra respuesta protectora para la planta. Estas posibilidades siguen siendo una línea de investigación, no un producto agrícola demostrado, pero muestran por qué el procesamiento químico puede resultar útil aunque sea mucho más lento que la electrónica.

Una nueva capa de programación para la biología sintética

El diseño tradicional de circuitos genéticos suele plantear una pregunta: ¿cuántas funciones pueden concentrarse dentro de una sola célula? La arquitectura del MIT propone otra: ¿qué funciones conviene separar entre distintas poblaciones y cómo deben organizarse esas poblaciones?

La separación puede reducir la carga sobre cada célula y convertir la distribución física en una capa adicional de programación. La ingeniería genética define qué puede hacer cada cepa; la impresión determina cómo se conectan esas capacidades. El resultado es una plataforma biológica reconfigurable construida a partir de un pequeño conjunto de piezas especializadas, en lugar de una cepa completamente nueva para cada diseño lógico.

La investigación recibió financiación parcial de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de Estados Unidos (DARPA) y de la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia (IARPA).