Como o MIT criou placas de circuito vivas com bactérias programadas

Pesquisadores do MIT transformaram a bactéria modificada Pantoea agglomerans em um conjunto de componentes capazes de formar uma “placa de circuito” viva. Em vez de mover elétrons como os dispositivos eletrônicos tradicionais, o sistema detecta, produz e transmite moléculas que se difundem entre colônias bacterianas. Com isso, uma disposição impressa de células vivas consegue executar operações de lógica e aritmética.

A principal inovação está na possibilidade de mudar o circuito sem reescrever o código genético. As mesmas linhagens podem ser reorganizadas em diferentes padrões para realizar cálculos distintos, transferindo parte da programação do DNA para a montagem física das colônias.

Bactérias funcionam como transistores e fios

A equipe criou duas linhagens bacterianas semelhantes a transistores, controladas por moléculas pequenas. Uma delas é ativada pela molécula OC-6; a outra é reprimida por ela. As duas também respondem à OC-12 e podem produzir o sinal químico OHC-14 quando as condições internas corretas são atendidas.

Outras três linhagens atuam como relés: elas processam o OHC-14 e o convertem em sinais químicos que podem ser reconhecidos pelas colônias de transistores seguintes. Em um circuito eletrônico, fios conectam os componentes e transportam os sinais. Nesse sistema, as colônias de relé desempenham função semelhante ao transmitir mensagens moleculares pelo meio de crescimento.

Esse desenho modular contorna um problema comum dos circuitos genéticos concentrados em uma única célula. Cada nova função regulatória exige mais maquinaria molecular e, quando muitas funções são reunidas, pode haver interferência entre fatores de transcrição e uma grande demanda pela produção de proteínas. Ao dividir as tarefas, cada linhagem precisa executar apenas sua função local.

O desenho da placa virou parte do programa

Os pesquisadores imprimiram as colônias em forma de pontos sobre ágar, com cerca de 5 milímetros entre colônias vizinhas. A distância ajudou a orientar a comunicação química de uma colônia para a seguinte. Assim, tanto a posição quanto a identidade de cada colônia passaram a determinar como a informação circulava pelo circuito.

O processo começou com o planejamento do layout. Depois, as linhagens modificadas foram cultivadas, preparadas e depositadas sobre o ágar em um formato de múltiplos poços. O protocolo experimental descreve o crescimento das linhagens em ágar seletivo e sua preparação para a impressão.

Para reconfigurar o circuito, bastava alterar o padrão espacial: qual linhagem seria impressa em cada posição e quais colônias ficariam lado a lado. O DNA subjacente não precisava ser reescrito para cada nova operação.

Na prática, a engenharia genética define o que cada tipo de bactéria pode fazer, enquanto a impressão determina como essas capacidades serão conectadas.

Operações demonstradas pelos circuitos vivos

A arquitetura foi testada em operações de complexidade crescente, incluindo:

• Lógica OR, na qual qualquer uma de várias entradas pode produzir uma saída;
• Operações do tipo implicação, que combinam entradas de acordo com uma relação lógica condicional;
• Um demultiplexador de 1 para 4, capaz de direcionar uma entrada para uma entre quatro saídas conforme os sinais de controle;
• Circuitos aritméticos, incluindo arranjos de meio somador e somador completo.

A demonstração do somador completo usou 24 colônias impressas. O resultado mostrou que a computação pode ser distribuída entre uma população cooperativa, em vez de ficar confinada a uma única célula geneticamente sobrecarregada.

Oito horas são lentas para computadores — mas podem ser úteis na biologia

Cada cálculo levou aproximadamente oito horas. Esse tempo é extraordinariamente longo quando comparado à lógica de silício, que opera em escalas de tempo muitas ordens de grandeza menores. Portanto, os circuitos bacterianos não foram projetados para substituir processadores ou realizar computação digital convencional.

A possível vantagem está em outro lugar: eles podem detectar condições biológicas ou químicas no próprio ambiente e responder sem depender de um sistema eletrônico tradicional. Fenômenos como estresse hídrico, ataque de insetos e desenvolvimento de doenças em plantas ocorrem ao longo de horas ou dias. Nesse contexto, uma resposta em cerca de oito horas pode ser relevante para aplicações de controle biológico.

A proposta, portanto, troca velocidade por integração biológica. Um circuito vivo poderia reconhecer uma combinação de sinais diretamente no local onde uma resposta é necessária e então ativar uma saída biológica.

Possíveis aplicações em raízes e folhas

Os pesquisadores apontam os ambientes associados a plantas como uma possível área de uso. Um circuito colocado em uma raiz ou folha poderia combinar sinais relacionados à seca, ao ataque de insetos ou à presença de patógenos, respondendo apenas quando o padrão adequado fosse detectado.

Em uma aplicação futura, o sistema poderia, por exemplo, estimular a produção de um composto fungicida ou de outra substância protetora para a planta. Essas possibilidades ainda são uma direção de pesquisa, não um produto agrícola demonstrado. Elas ajudam a explicar por que a computação química pode ser útil mesmo sendo muito mais lenta que a eletrônica.

Uma nova camada de programação na biologia sintética

O desenvolvimento muda a pergunta tradicional da biologia sintética. Em vez de perguntar quantas funções podem ser concentradas em uma célula, os pesquisadores passam a considerar quais funções devem ser separadas entre diferentes populações e como essas populações devem ser organizadas.

Essa separação pode reduzir a carga sobre cada célula e acrescentar o layout físico como uma nova camada de programação. A engenharia genética determina as capacidades de cada linhagem; a impressão define as conexões entre elas.

O resultado é uma plataforma biológica reconfigurável, formada por uma biblioteca relativamente pequena de componentes especializados. Para criar uma nova lógica, não é necessário desenvolver uma linhagem totalmente nova a cada vez — pode ser suficiente reorganizar as colônias.

O trabalho recebeu, em parte, financiamento da Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), agência de pesquisa avançada do Departamento de Defesa dos Estados Unidos, e da Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), ligada à comunidade de inteligência americana.