MIT stampa transistor batterici: così nascono circuiti viventi riconfigurabili

La disposizione fisica diventa parte del programma

I ricercatori hanno stampato le colonie come punti su una superficie di agar, mantenendo tra quelle vicine una distanza di circa 5 millimetri. Questa disposizione favorisce il passaggio dei segnali chimici da una colonia alla successiva. Di conseguenza, sia l’identità di ogni colonia sia la sua posizione determinano il percorso dell’informazione.

Il protocollo sperimentale prevedeva prima la progettazione della disposizione, poi la preparazione e la crescita dei ceppi ingegnerizzati prima del loro deposito sull’agar. Le colture venivano fatte crescere su agar selettivo e preparate per la stampa in un formato a più pozzetti.

Riconfigurare il circuito significa quindi cambiare lo schema spaziale: quale ceppo viene stampato in ogni punto e quali colonie vengono collocate una accanto all’altra. Il DNA alla base dei ceppi non deve essere riscritto per ogni nuova operazione. Una parte della programmazione passa così dall’ingegneria genetica all’assemblaggio fisico.

Dalle porte logiche alla somma binaria

L’architettura è stata testata con operazioni di complessità crescente, tra cui:

• Logica OR, nella quale l’uscita può essere attivata da uno qualsiasi degli ingressi;
• Operazioni di implicazione, che combinano gli ingressi secondo una relazione condizionale;
• Un demultiplexer da 1 a 4, capace di indirizzare un ingresso verso una delle quattro uscite in base ai segnali di controllo;
• Circuiti aritmetici, inclusi un semisommatore e un sommatore completo.

La dimostrazione del sommatore completo ha utilizzato 24 colonie stampate. Il risultato mostra come il calcolo possa essere distribuito tra popolazioni batteriche cooperanti, invece di essere concentrato in una singola cellula geneticamente sovraccarica.

Otto ore contro i nanosecondi del silicio

Un calcolo richiede circa otto ore. È un tempo enorme rispetto all’elettronica al silicio, nella quale le operazioni logiche avvengono su scale temporali molte volte più rapide. Questi circuiti batterici non sono dunque destinati a sostituire i processori o a competere con i computer tradizionali.

Il loro possibile vantaggio è un altro: rilevare condizioni biologiche o chimiche direttamente sul posto e reagire senza dipendere da un sistema elettronico convenzionale. Fenomeni come lo stress da siccità, i danni provocati dagli insetti o lo sviluppo di una malattia vegetale si evolvono nell’arco di ore o giorni. In questo contesto, una risposta ottenuta dopo circa otto ore potrebbe essere compatibile con applicazioni di controllo biologico.

Il compromesso, quindi, è tra velocità e integrazione con la biologia. Un circuito vivente potrebbe riconoscere localmente una combinazione di segnali e attivare un’uscita biologica proprio nel punto in cui serve.

Un possibile impiego su radici e foglie

Tra gli scenari considerati dai ricercatori ci sono gli ambienti associati alle piante. Un circuito collocato su una radice o su una foglia potrebbe combinare segnali legati alla siccità, agli insetti o agli agenti patogeni, rispondendo soltanto quando viene rilevato il corretto insieme di condizioni.

In futuro, un sistema di questo tipo potrebbe per esempio attivare la produzione di un composto fungicida o di un’altra sostanza protettiva per la pianta. Si tratta però ancora di una direzione di ricerca, non di un prodotto agricolo già dimostrato. L’esempio chiarisce comunque perché un calcolo chimico possa risultare utile anche quando è molto più lento dell’elettronica.

Una nuova idea per la biologia sintetica

La progettazione tradizionale dei circuiti genetici tende a chiedersi quante funzioni sia possibile inserire in una sola cellula. L’architettura del MIT propone una domanda diversa: quali funzioni conviene distribuire tra popolazioni differenti e come bisogna disporre queste popolazioni?

La separazione può ridurre il carico imposto alle singole cellule e aggiungere la disposizione fisica come ulteriore livello di programmazione. L’ingegneria genetica stabilisce che cosa ogni ceppo può fare; la stampa determina invece come queste capacità vengono collegate. Il risultato è una piattaforma biologica riconfigurabile, costruita a partire da una piccola libreria di componenti specializzati invece che da un ceppo completamente nuovo per ogni circuito logico.

La ricerca è stata finanziata in parte dalla Defense Advanced Research Projects Agency, l’agenzia statunitense per i progetti di ricerca avanzata nel settore della difesa, e dalla Intelligence Advanced Research Projects Activity.