Hoe MIT bacteriën veranderde in herprogrammeerbare transistors

MIT-onderzoekers hebben genetisch aangepaste Pantoea agglomerans ingezet als bouwstenen voor een biologische printplaat. De bacteriën verplaatsen geen elektronen zoals transistors in gewone elektronica. In plaats daarvan detecteren, produceren en verspreiden bacteriekolonies chemische signalen. Zo kan een geprinte ordening van levende cellen logische bewerkingen en eenvoudige rekenkundige taken uitvoeren.

De belangrijkste vernieuwing is dat de schakeling opnieuw kan worden geconfigureerd door de positie van de kolonies te veranderen. Dezelfde bacteriestammen kunnen daardoor in verschillende patronen worden gebruikt, zonder voor elke berekening een nieuw genetisch programma te ontwerpen.

Bacteriën als transistors en bedrading

Het team ontwikkelde twee bacteriestammen die zich gedragen als transistorachtige schakelaars en worden aangestuurd door kleine moleculen. De ene stam wordt geactiveerd door het invoermolecuul OC-6, terwijl de andere door dat molecuul wordt onderdrukt. Beide stammen reageren ook op OC-12 en kunnen, wanneer aan de juiste interne voorwaarden is voldaan, het chemische uitvoersignaal OHC-14 produceren.

Drie andere stammen fungeren als relais. Zij verwerken OHC-14 en zetten het om in chemische signalen die door volgende transistor-kolonies kunnen worden herkend. In een elektronische schakeling zorgen draden ervoor dat signalen van het ene onderdeel naar het andere gaan. Hier nemen relaiskolonies die verbindende rol over door moleculaire boodschappen via het groeimedium door te geven.

Deze modulaire aanpak omzeilt een probleem van grote genetische schakelingen in één cel. Voor elke extra regelfunctie is meer moleculaire machinerie nodig. Wanneer te veel functies worden gecombineerd, kunnen transcriptiefactoren elkaar ongewenst beïnvloeden en raakt de cel zwaar belast door de productie van eiwitten. Door functies over verschillende kolonies te verdelen, hoeft elke stam alleen zijn eigen lokale taak uit te voeren.

De opstelling werd onderdeel van het programma

De onderzoekers printten bacteriekolonies als stippen op agar, met ongeveer 5 millimeter afstand tussen naburige kolonies. Die ordening hielp om chemische communicatie van de ene kolonie naar de volgende te sturen. Daardoor bepaalden zowel de positie als de identiteit van elke kolonie hoe de informatie door de schakeling stroomde.

Het proces begon met een vooraf ontworpen printindeling. Vervolgens werden de genetisch aangepaste stammen voorbereid en gekweekt voordat ze op de agar werden aangebracht. Het experimentele protocol beschrijft onder meer hoe de stammen op selectieve agar werden gekweekt en daarna in een multiwell-formaat voor het printen werden klaargemaakt.

Een schakeling herprogrammeren betekende vervolgens vooral dat het ruimtelijke patroon werd aangepast: welke stam op welke plek werd geprint en welke kolonies naast elkaar kwamen te liggen. Het DNA hoefde niet voor iedere nieuwe schakeling te worden herschreven. Een deel van het programmeren verschuift daarmee van genetische engineering naar fysieke assemblage.

Welke berekeningen waren mogelijk?

De onderzoekers testten de architectuur met steeds complexere bewerkingen, waaronder:

• OR-logica, waarbij een uitvoersignaal ontstaat zodra een van meerdere ingangen actief is;
• implicatiebewerkingen, die invoeren combineren volgens een voorwaardelijke logische relatie;
• een 1-op-4-demultiplexer, die één ingangssignaal op basis van controlesignalen naar een van vier uitgangen stuurt;
• rekenkundige schakelingen, waaronder half-adders en full-adders.

De demonstratie van de full-adder gebruikte 24 geprinte kolonies. Daarmee lieten de onderzoekers zien dat een berekening over een samenwerkende populatie kan worden verdeeld, in plaats van dat alle functies in één genetisch overbelaste cel moeten zitten.

Acht uur is traag voor een computer, maar niet per se voor biologie

Een berekening duurde ongeveer acht uur. Dat is buitengewoon langzaam vergeleken met siliciumelektronica, waarin logische bewerkingen op tijdschalen plaatsvinden die vele ordes van grootte korter zijn. Deze bacterieschakelingen zijn dan ook niet bedoeld om processors te vervangen of conventionele digitale berekeningen uit te voeren.

Hun mogelijke voordeel ligt ergens anders: ze kunnen biologische of chemische omstandigheden lokaal waarnemen en daarop reageren zonder afhankelijk te zijn van een traditioneel elektronisch systeem. Processen zoals droogtestress bij planten, schade door plaagdieren of de ontwikkeling van ziekten verlopen over uren of dagen. Een reactie binnen ongeveer acht uur kan voor zulke biologische toepassingen daarom toch relevant zijn.

De ruil is dus snelheid voor biologische integratie. Een levende schakeling zou een combinatie van signalen rechtstreeks kunnen detecteren op de plek waar een reactie nodig is en daar vervolgens een biologische uitvoer activeren.

Mogelijke toepassingen op plantenwortels en bladeren

De onderzoekers wijzen op omgevingen rond planten als een mogelijke toepassing. Een schakeling op een wortel of blad zou signalen voor droogte, insectenvraat of ziekteverwekkers kunnen combineren en alleen reageren wanneer het juiste patroon wordt herkend.

Een toekomstig systeem zou bijvoorbeeld de productie van een schimmelwerende stof of een andere plantbeschermende reactie kunnen activeren. Dit is vooralsnog een onderzoeksrichting en geen aangetoond landbouwproduct. Wel maakt het voorbeeld duidelijk waarom chemische berekeningen nuttig kunnen zijn, zelfs wanneer ze veel trager zijn dan elektronica.

Een andere manier van denken over synthetische biologie

Bij traditioneel ontwerp van genetische schakelingen draait de vraag vaak om hoeveel functies in één cel kunnen worden samengebracht. De MIT-architectuur stelt een andere vraag: welke functies kunnen beter over verschillende celpopulaties worden verdeeld, en hoe moeten die populaties ten opzichte van elkaar worden geplaatst?

Die scheiding kan de belasting van afzonderlijke cellen verminderen en maakt de fysieke indeling tot een extra programmeerlaag. Genetische engineering bepaalt wat elke stam kan doen; het printpatroon bepaalt hoe die mogelijkheden met elkaar worden verbonden. Zo ontstaat een herconfigureerbaar biologisch platform met een beperkte bibliotheek van gespecialiseerde onderdelen, in plaats van voor elk logisch ontwerp een volledig nieuwe stam.

Het onderzoek werd gedeeltelijk gefinancierd door het Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) en de Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA).