Los transistores en los circuitos eléctricos operan como interruptores que regulan el flujo de corriente. Un equipo de investigación del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha innovado al desarrollar una tecnología que emula este mecanismo en un contexto biológico, permitiendo que las propias bacterias funcionen como interruptores. Han sido capaces de crear un “circuito vivo” que realiza cálculos complejos mediante la interconexión de colonias bacterianas.
En este circuito biológico, los interruptores bacterianos gestionan el flujo de pequeñas moléculas, las cuales actúan como señales para las células adyacentes. Los científicos sugieren que, utilizando dos cepas bacterianas como transistores y tres cepas encargadas de la transmisión de señales, se puede teóricamente construir cualquier circuito imaginable. “Hemos desarrollado algunos de los componentes fundamentales de la arquitectura informática que se utilizan comúnmente”, señala Hamid Doost-Hosseini, autor principal del estudio e investigador doctoral en el MIT. “Con estas cinco cepas, es posible llevar a cabo cualquier operación aritmética”.
Conectando Funciones a Través de Bacterias
El equipo de Doost-Hosseini empleó la bacteria Pantoea agglomerans, que se encuentra frecuentemente en la superficie de las plantas, para crear dos tipos de transistores que se activan y desactivan mediante una molécula llamada “OC-6”. Este mecanismo permite que cada transistor detecte la presencia de una molécula objetivo, “OC-12”, y produzca una molécula de salida, “OHC-14”, dependiendo de las condiciones presentes. Tres cepas bacterianas actúan como retransmisores, convirtiendo la señal de OHC-14 en una entrada para otro transistor. A través de estas cepas, se pueden «cablear» los transistores, similar a un circuito impreso.
Por ejemplo, es posible crear un interruptor bidireccional utilizando dos transistores que detectan la OC-12 y, dependiendo de la entrada del interruptor, envían información a diferentes cepas de retransmisión. Posteriormente, la señal se transmite a otro transistor para su procesamiento. En esta investigación, se ha construido un circuito donde la señal se transmite exclusivamente a la colonia más cercana, posicionando las colonias bacterianas sobre un medio de cultivo de agar a una distancia de aproximadamente 5 mm entre sí. De esta manera, la información fluye en una única dirección a lo largo de la ruta establecida.
Innovaciones en Biología Sintética
Gracias a este diseño, no solo se han creado circuitos capaces de realizar diversas operaciones lógicas según la disposición de las colonias, sino que también se han desarrollado circuitos que pueden procesar múltiples señales simultáneamente y demultiplexores que distribuyen una señal única a varios destinos en función de una señal de control. Uno de los circuitos más complejos construidos hasta ahora suma dos entradas y está compuesto por 24 colonias bacterianas interconectadas.
En contraste con los métodos tradicionales de biología sintética, que se centraban en concentrar todos los sensores y cálculos dentro de una sola célula, este nuevo enfoque ha permitido superar limitaciones. Al distribuir las funciones entre diferentes células y conectarlas, se han creado circuitos más versátiles. “Hemos demostrado que al conectar funciones simples de células individuales, se puede alcanzar una complejidad funcional mayor”, afirma Christopher Voigt, coautor del estudio y director del Departamento de Ingeniería Biológica del MIT. “Desde una perspectiva computacional, no hay nada que un iPhone pueda hacer que estos circuitos no puedan realizar”.
Un Futuro de Decisiones Biológicas
No obstante, en términos de velocidad de procesamiento, estos circuitos bacterianos están lejos de igualar a los circuitos electrónicos de las computadoras, ya que requieren aproximadamente ocho horas para completar un solo cálculo. Sin embargo, el equipo no considera esta lentitud como una desventaja. Argumentan que, para aplicaciones biológicas, este ritmo es adecuado. “No buscamos reemplazar a las computadoras, sino integrar el control a través de cálculos en la biología”, aclara Voigt. “Si concebimos que son las bacterias en las raíces de las plantas o las propias plantas las que realizan estos cálculos, podemos afirmar que el tiempo que se toma para un cálculo sencillo es bastante razonable en comparación con el período total de crecimiento”.
Más allá de esta tecnología, los investigadores contemplan la posibilidad de recubrir la superficie de las hojas y raíces de las plantas con circuitos bacterianos. Este desarrollo podría permitir que los circuitos detecten estrés ambiental, como sequías o plagas, y generen respuestas autónomas. En el ámbito agrícola, esto podría traducirse en circuitos que, al detectar situaciones de estrés, produzcan fungicidas de manera autónoma.
Aunque la velocidad de cálculo de estos circuitos biológicos es de aproximadamente ocho horas, en la agricultura, donde se trabaja con ciclos de crecimiento estacionales, este tiempo no resulta excesivo. La posibilidad de que las plantas “calcule” su estado con la ayuda de bacterias y tomen decisiones de forma autónoma podría estar más cerca de lo que imaginamos.
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