Ingenieros del MIT diseñaron cinco tipos de bacterias que pueden conectarse como componentes electrónicos para realizar operaciones lógicas. Las colonias se imprimen sobre una superficie, se comunican mediante moléculas y pueden reorganizarse para construir distintos circuitos sin modificar nuevamente su genética. El objetivo no es sustituir computadoras convencionales, sino llevar capacidad de cómputo directamente a sistemas vivos.
Una computadora convencional necesita transistores capaces de abrir o cerrar el paso de corriente. Un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) construyó una versión biológica de esa arquitectura utilizando algo completamente diferente: colonias de bacterias que controlan el movimiento de moléculas químicas y transmiten información de una colonia a otra.
Los investigadores modificaron bacterias de la especie Pantoea agglomerans para crear dos tipos de “transistores” celulares y tres cepas adicionales que funcionan como relevos. Con únicamente esos cinco componentes pudieron imprimir diferentes configuraciones sobre una superficie y construir circuitos capaces de realizar operaciones lógicas, separar una señal entre diferentes destinos y sumar entradas binarias. El trabajo fue publicado el 17 de agosto en Nature Chemical Biology.
La idea produce algo semejante a una placa electrónica viva. En lugar de pistas metálicas y corriente eléctrica, la información circula mediante pequeñas moléculas que se difunden de una colonia bacteriana a la siguiente. Y, a diferencia de una placa convencional, esta puede crecer.
Bacterias que funcionan como transistores
La biología sintética lleva años intentando convertir células en pequeñas máquinas programables. Los investigadores pueden introducir circuitos genéticos que hacen que una célula detecte determinada molécula y, dependiendo de su presencia, active o desactive la producción de otra sustancia.
Esos circuitos pueden realizar operaciones lógicas similares a las utilizadas en electrónica, pero tienen un problema de escala. Si demasiados componentes son introducidos dentro de una misma célula, sus mecanismos empiezan a interferir entre sí y además pueden sobrecargar la maquinaria que la célula utiliza para producir proteínas.
El equipo dirigido por Christopher Voigt, jefe del Departamento de Ingeniería Biológica del MIT, tomó otro camino: en lugar de intentar construir una computadora completa dentro de una célula, distribuyó las operaciones entre varias colonias. Para hacerlo eligieron Pantoea agglomerans, una bacteria que crece habitualmente sobre superficies, incluidas las plantas. Los investigadores modificaron diferentes cepas para que respondieran a moléculas específicas y produjeran otra señal química dependiendo de la combinación de entradas recibidas.
Dos de las cepas funcionan como transistores biológicos de tipos complementarios: una se activa ante determinada señal y la otra se apaga. Otras tres actúan como relevos capaces de recibir una molécula, transformarla en otra señal y enviarla hacia el siguiente componente del circuito. El resultado se parece conceptualmente a conectar componentes electrónicos simples para formar una máquina más compleja.
Una computadora que se imprime
Los circuitos se construyen mediante un sistema que deposita pequeñas cantidades de bacterias sobre placas con agar, el medio que permite su crecimiento. Cada colonia se coloca aproximadamente a cinco milímetros de la siguiente, una distancia calculada para que las moléculas producidas por una colonia alcancen a su vecina inmediata sin extenderse indiscriminadamente por todo el circuito.
La disposición espacial determina entonces cómo viaja la información. Eso permite algo especialmente importante: los investigadores no necesitan crear una bacteria diferente para cada circuito. Las mismas cinco cepas pueden reorganizarse físicamente para producir diferentes operaciones, de forma parecida a utilizar los mismos tipos de componentes electrónicos para construir circuitos distintos.
El artículo describe esta estrategia como una adaptación de la pass transistor logic, una arquitectura utilizada en electrónica para implementar operaciones utilizando redes de transistores. En la versión biológica, los investigadores construyeron puertas lógicas con múltiples entradas y salidas, un demultiplexor, un medio sumador y un sumador completo.
El circuito más grande demostrado en el trabajo estaba formado por 24 colonias bacterianas conectadas entre sí y podía sumar dos entradas. La capacidad parece diminuta frente a cualquier computadora contemporánea, pero el objetivo del experimento no es competir con el silicio.
Una operación tarda ocho horas
Los investigadores calculan que estos circuitos necesitan alrededor de ocho horas para completar una operación. Una computadora electrónica realiza miles de millones de operaciones por segundo, por lo que una placa bacteriana sería una forma extraordinariamente mala de construir una laptop o un teléfono.
Voigt plantea, sin embargo, que en términos de lógica computacional los bloques podrían combinarse para construir operaciones arbitrariamente complejas. La limitación práctica está en la velocidad, el tamaño y la capacidad de mantener sistemas biológicos cada vez mayores funcionando de manera estable.
Precisamente por eso el equipo no pretende reemplazar computadoras convencionales. La ventaja aparece cuando el lugar donde se necesita realizar el cálculo ya es un sistema biológico. Una planta, por ejemplo, no necesita determinar en nanosegundos si está sufriendo sequía o una infección. Puede detectar diferentes señales ambientales durante horas, procesar su combinación y producir una respuesta antes de que el problema avance. Para una temporada agrícola, ocho horas pueden ser perfectamente útiles.
Plantas capaces de detectar qué les ocurre
Una de las aplicaciones imaginadas por el equipo consiste en colocar estos circuitos sobre raíces u hojas de plantas. Las bacterias podrían detectar diferentes señales, por ejemplo, moléculas asociadas con falta de agua, presencia de patógenos o determinadas condiciones del suelo, y procesarlas conjuntamente antes de activar una respuesta.
En lugar de un sensor que simplemente indique la presencia de una sustancia, el circuito podría preguntar, en términos biológicos: ¿están presentes simultáneamente estas condiciones?, ¿aparece esta señal pero no aquella?, ¿qué respuesta debe activarse ante esta combinación?
Los investigadores proponen como ejemplo que, cuando se detecte una combinación específica relacionada con estrés o enfermedad, el sistema desencadene la producción de una sustancia como un fungicida. La diferencia parece pequeña, pero es fundamental: el organismo no sólo estaría detectando información; estaría computándola antes de decidir qué hacer.
La computadora no está dentro de una célula
El trabajo forma parte de una historia mucho más larga de computación biológica. Desde hace décadas existen circuitos genéticos, puertas lógicas hechas con ADN, sistemas multicelulares capaces de procesar información y diferentes intentos de distribuir cálculos entre poblaciones de microorganismos.
Por eso, el avance del MIT no consiste en haber inventado la primera “computadora bacteriana”. La novedad está en la modularidad. El artículo demuestra que cinco tipos celulares, cada uno encargado de una función relativamente sencilla, pueden conectarse espacialmente para producir operaciones diferentes y cada vez más complejas. Para cambiar el programa no es necesario volver a rediseñar el ADN de las bacterias: en ciertos casos basta con cambiar dónde se coloca cada colonia.
Es una distinción importante porque acerca los circuitos biológicos a uno de los principios que permitió escalar la electrónica: utilizar componentes estandarizados y combinarlos de distintas maneras. En una computadora tradicional, el transistor individual no sabe si forma parte de un procesador que suma números, reproduce música o ejecuta un modelo de inteligencia artificial. Es la arquitectura formada por millones o miles de millones de componentes la que determina la función final. El trabajo del MIT intenta trasladar una versión de ese principio a organismos vivos.
Cuando computar significa modificar la biología
La consecuencia más interesante del experimento probablemente no sea imaginar computadoras hechas de bacterias, sino introducir control computacional dentro de la propia materia viva. Un circuito electrónico necesita sensores para observar el mundo biológico y actuadores para intervenir en él. Una bacteria modificada puede hacer ambas cosas directamente: percibe moléculas porque su propia maquinaria celular interactúa con ellas y puede responder sintetizando otras moléculas.
Eso reduce la distancia entre detectar, calcular y actuar. Un sistema de este tipo podría eventualmente funcionar en agricultura, materiales vivos, monitoreo ambiental o sistemas biológicos diseñados para responder sólo cuando aparezca una combinación concreta de condiciones.
Todavía existen enormes obstáculos antes de llegar a aplicaciones de esa escala. Los experimentos actuales se realizaron sobre superficies controladas; las señales necesitan horas para propagarse y aumentar el número de colonias también aumenta la dificultad de evitar interferencias, mutaciones o comportamientos inesperados. Pero el trabajo muestra una arquitectura posible.
Durante décadas, la computación consistió principalmente en construir máquinas capaces de representar el mundo físico mediante información. La biología sintética explora el movimiento contrario: hacer que la propia materia viva pueda detectar información, procesarla y responder siguiendo una lógica programada. En el experimento del MIT, esa idea comienza con apenas cinco tipos de bacterias colocadas como puntos sobre una placa. Al conectarlas, esos puntos se convierten en un circuito.
