Bagaimana MIT Membuat Sirkuit yang Dapat Diprogram Ulang dari Bakteri

Bayangkan papan sirkuit yang tidak berisi kabel tembaga dan transistor silikon, melainkan titik-titik koloni bakteri hidup di atas agar. Itulah pendekatan yang dikembangkan peneliti Massachusetts Institute of Technology (MIT) dengan merekayasa bakteri Pantoea agglomerans menjadi komponen-komponen sirkuit biologis.

Sistem ini tidak mengalirkan elektron seperti komputer biasa. Sebagai gantinya, koloni bakteri mendeteksi, menghasilkan, dan meneruskan molekul sinyal yang menyebar melalui media pertumbuhan. Dengan mengatur posisi koloni-koloni tersebut, peneliti dapat membuat rangkaian yang menjalankan logika dan operasi aritmetika—tanpa harus mengubah ulang DNA setiap kali desain sirkuit diganti.

Bakteri berperan sebagai transistor dan kabel

Tim MIT merancang dua strain bakteri yang bekerja seperti transistor biologis. Keduanya dikendalikan oleh molekul kecil bernama OC-6: satu strain aktif ketika menerima sinyal tersebut, sedangkan strain lainnya ditekan. Kedua strain juga merespons OC-12 dan dapat menghasilkan sinyal kimia OHC-14 ketika kondisi internal yang sesuai terpenuhi.

Selain dua strain transistor, terdapat tiga strain relai. Strain-strain ini memproses OHC-14 dan mengubahnya menjadi sinyal kimia yang dapat dikenali koloni transistor di tahap berikutnya. Dalam sirkuit elektronik, kabel menghubungkan satu komponen dengan komponen lain. Pada sistem MIT, koloni relai menjalankan fungsi tersebut dengan meneruskan pesan molekuler melalui media pertumbuhan.

Pembagian tugas ini membantu mengatasi kendala utama sirkuit genetik yang dipadatkan ke dalam satu sel. Setiap fungsi pengaturan tambahan membutuhkan perangkat molekuler sendiri. Jika terlalu banyak fungsi digabungkan, faktor transkripsi dapat saling mengganggu dan sel harus memproduksi terlalu banyak protein. Dengan membagi pekerjaan ke beberapa populasi bakteri, tiap strain hanya perlu menjalankan tugas lokalnya.

Tata letak koloni menjadi bagian dari “program”

Koloni bakteri dicetak sebagai titik-titik di atas agar dengan jarak sekitar 5 milimeter satu sama lain. Jarak tersebut membantu mengarahkan komunikasi kimia dari satu koloni ke koloni terdekat.

Prosesnya dimulai dengan merancang pola cetak, menumbuhkan strain yang telah direkayasa, lalu menempatkannya di atas agar. Protokol eksperimen menjelaskan bahwa strain ditumbuhkan pada agar selektif sebelum disiapkan untuk proses pencetakan dalam format multiwell.

Posisi dan jenis setiap koloni kemudian menentukan bagaimana informasi bergerak. Untuk membuat sirkuit baru, peneliti cukup mengubah pola spasial—misalnya menentukan strain mana yang dicetak di posisi tertentu dan koloni mana yang ditempatkan bersebelahan. DNA dasar pada strain tidak perlu ditulis ulang untuk setiap perhitungan. Dengan demikian, sebagian proses pemrograman berpindah dari rekayasa genetika ke perakitan fisik.

Operasi logika yang berhasil ditunjukkan

Arsitektur ini diuji melalui rangkaian dengan tingkat kompleksitas yang semakin tinggi, termasuk:

• Logika OR, ketika salah satu dari beberapa input saja sudah cukup untuk menghasilkan output.
• Operasi tipe implikasi, yang menggabungkan input berdasarkan hubungan logika bersyarat.
• Demultiplekser 1-ke-4, yang mengarahkan satu input ke salah satu dari empat output berdasarkan sinyal kendali.
• Rangkaian aritmetika, termasuk half-adder dan full-adder untuk menjumlahkan nilai biner.

Demonstrasi full-adder menggunakan 24 koloni bakteri yang dicetak. Hasil ini menunjukkan bahwa komputasi dapat dibagi ke dalam populasi yang saling bekerja sama, alih-alih dipaksakan ke satu sel yang dibebani terlalu banyak rangkaian genetik.

Delapan jam sangat lambat bagi komputer, tetapi masuk akal bagi biologi

Satu perhitungan membutuhkan waktu sekitar delapan jam. Dibandingkan logika berbasis silikon, waktu tersebut sangat lambat—sirkuit komputer konvensional bekerja pada skala waktu elektronik yang jauh lebih singkat. Karena itu, sirkuit bakteri ini tidak dirancang untuk menggantikan prosesor atau menjalankan komputasi digital sehari-hari.

Keunggulannya berada di tempat lain: sistem ini dapat mendeteksi kondisi biologis atau kimia langsung di lingkungan tempat respons dibutuhkan. Kekeringan, serangan hama, dan perkembangan penyakit tanaman berlangsung selama hitungan jam hingga hari. Dalam konteks seperti itu, respons setelah sekitar delapan jam masih berpotensi berguna.

Dengan kata lain, sistem ini menukar kecepatan dengan integrasi biologis. Sirkuit hidup dapat, secara teori, mengenali kombinasi sinyal secara lokal lalu mengaktifkan keluaran biologis tanpa bergantung sepenuhnya pada perangkat elektronik konvensional.

Potensi penggunaan pada akar dan daun tanaman

Salah satu arah penggunaan yang dibayangkan peneliti adalah lingkungan yang berhubungan dengan tanaman. Sirkuit yang ditempatkan pada akar atau daun dapat menggabungkan sinyal yang berkaitan dengan kekeringan, serangan serangga, atau patogen, lalu merespons hanya ketika pola yang tepat terdeteksi.

Pada masa depan, sistem semacam ini mungkin diprogram untuk memicu produksi senyawa fungisida atau keluaran lain yang melindungi tanaman. Namun, penggunaan tersebut masih merupakan arah penelitian, bukan produk pertanian yang telah terbukti. Contoh ini menunjukkan mengapa komputasi kimia tetap menarik meski jauh lebih lambat daripada elektronik.

Cara pandang baru dalam biologi sintetis

Dalam banyak rancangan sirkuit genetik, pertanyaannya adalah seberapa banyak fungsi yang dapat dimasukkan ke dalam satu sel. Pendekatan MIT mengajukan pertanyaan berbeda: fungsi mana yang sebaiknya dipisahkan ke populasi sel yang berbeda, dan bagaimana populasi tersebut harus disusun?

Rekayasa genetika menentukan kemampuan tiap strain, sedangkan pencetakan menentukan bagaimana kemampuan itu dihubungkan. Hasilnya adalah platform biologis yang dapat dikonfigurasi ulang dari sejumlah kecil komponen khusus, tanpa perlu membuat strain yang sepenuhnya baru untuk setiap desain logika.

Penelitian ini sebagian didanai oleh Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) dan Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), dua lembaga riset pemerintah Amerika Serikat.