El MIT conectó bacterias para construir circuitos biológicos capaces de realizar cálculos

Investigadores del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) diseñaron bacterias que funcionan como transistores —componentes que en electrónica actúan como interruptores de señal— y las conectaron para formar circuitos bacterianos capaces de hacer cálculos, un avance que apunta a llevar control computacional a sistemas biológicos como hojas y raíces de plantas para detectar sequía, plagas u otros tipos de estrés y responder ante ellos, informó MIT News, el portal de noticias del instituto.

El circuito más grande que mostraron reúne 24 colonias bacterianas conectadas entre sí para sumar dos entradas. Cada cálculo tarda unas ocho horas, un ritmo muy inferior al de la electrónica convencional pero que, para aplicaciones biológicas, los autores consideran suficiente.

El trabajo, publicado en la revista científica Nature Chemical Biology, describe dos transistores biológicos y tres cepas bacterianas que actúan como relés —intermediarios que transmiten la señal de un transistor al siguiente—. Con esas cinco variantes celulares, el equipo considera que el sistema es altamente versátil. “Construimos algunos componentes iniciales de arquitectura computacional que se usan de manera habitual, pero cualquier operación puede construirse con estas cinco cepas”, indicó Hamid Doosthosseini, investigador posdoctoral del instituto y autor principal del estudio.

Las bacterias emplean señales químicas, no eléctricas

En un circuito electrónico, un transistor actúa como un interruptor que enciende o apaga el paso de corriente. En la versión biológica creada por el equipo, ese papel lo cumple una bacteria que controla el flujo de moléculas pequeñas, las señales que luego activan los componentes que siguen en la cadena.

El grupo eligió la bacteria Pantoea agglomerans, que suele crecer sobre superficies, incluidas las plantas. A partir de ella desarrolló dos tipos de transistores que pueden activarse o desactivarse con una molécula llamada OC-6.

Uno de esos transistores se enciende con esa entrada y el otro se apaga. Ambos también detectan la presencia de una molécula objetivo, en este caso OC-12, y según esa combinación producen una molécula de salida llamada OHC-14.

Para enlazar unos transistores con otros, los investigadores emplearon tres cepas adicionales de Pantoea agglomerans como relés. Esas cepas traducen la señal OHC-14 a una salida que puede alimentar otro transistor, del mismo modo en que una placa electrónica conecta componentes distintos.

Las colonias bacterianas se imprimieron sobre placas con agar, una gelatina que sirve de sustrato para su crecimiento, a una distancia de unos 5 milímetros de la colonia más cercana. Ese diseño permite que la señal llegue solo al vecino inmediato, que la retransmite a la siguiente colonia, y así la información avanza en una sola dirección.

El sistema realizó sumas y operaciones lógicas básicas

En el estudio, los investigadores mostraron un transistor capaz de realizar distintas operaciones lógicas según su posición dentro del circuito, entre ellas compuertas de múltiples entradas, “o” e “implica” —tipos de operaciones lógicas que determinan bajo qué condiciones se produce una señal de salida—.

También combinaron esos transistores para construir circuitos más complejos. Entre ellos figuran sistemas que suman dos o tres entradas, procesan varias señales al mismo tiempo o funcionan como un demultiplexor, es decir, un circuito que toma una señal entrante y la dirige a uno de varios destinos posibles en función de una señal de control.

Christopher Voigt, director del Departamento de Ingeniería Biológica del MIT y autor principal del trabajo, explicó: “Este trabajo muestra que podemos avanzar hacia funciones más complicadas enlazando funciones más simples en células individuales”, y añadió: “Desde el punto de vista computacional, no hay nada que tu iPhone pueda hacer que estos circuitos no pudieran hacer”. El objetivo, aclaró, no es sustituir a las computadoras, sino incorporar capacidad de cálculo a la biología.

Plantas detectan estrés y activan respuesta

La limitación que el equipo buscó resolver aparece en los circuitos de biología sintética convencionales, que suelen concentrar toda la lógica en una sola célula. Ese enfoque depende de proteínas y factores de transcripción —moléculas que regulan qué genes se activan en la célula— específicos para evitar interferencias internas, pero la cantidad disponible es limitada y la acumulación de demasiados circuitos puede sobrecargar los recursos internos de la célula.

La estrategia presentada cambia esa lógica: en lugar de insertar un circuito entero en una única célula, reparte funciones entre células que actúan como transistores y luego las conecta. Esa arquitectura permite ampliar la complejidad sin exigir que una sola bacteria haga todo el trabajo.

Voigt afirmó: “No intentamos reemplazar a las computadoras, sino poner control computacional en la biología. Si tienes bacterias en la raíz de una planta, o la propia planta está haciendo la computación, ejecutar un cálculo simple durante la noche es lo bastante rápido en relación con una temporada de crecimiento”.

Si esta tecnología llega a desarrollarse para uso agrícola, los circuitos podrían aplicarse a raíces de plantas para detectar distintos tipos de estrés. Cuando aparezca una entrada determinada, el sistema podría activar una respuesta como la producción de un fungicida.

Además de Doosthosseini y Voigt, el artículo científico incluye como autor a Haorong Chen, exinvestigador posdoctoral del instituto. La investigación recibió financiación parcial de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa y de la Actividad de Proyectos de Investigación Avanzada de Inteligencia de Estados Unidos.