Un equipo de investigación del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha logrado que las bacterias funcionen como transistores y ha construido un mecanismo similar al de un circuito electrónico. Se espera que, en el futuro, esto se pueda aplicar a las hojas y raíces de las plantas, lo que permitiría desarrollar sistemas capaces de detectar cambios en el entorno y responder de forma autónoma.
Los transistores de los circuitos eléctricos funcionan como interruptores que activan y desactivan la corriente. En este caso, los interruptores bacterianos controlan el flujo de pequeñas moléculas, y estas moléculas actúan como señales para la siguiente célula. Según los investigadores, con dos cepas bacterianas que actúan como transistores y tres cepas que transmiten las señales, en teoría se puede construir prácticamente cualquier circuito. «Hemos construido algunos de los componentes básicos de la arquitectura informática que se usan habitualmente», explica Hamid Doost-Hosseini, autor principal del artículo e investigador doctoral del MIT. «Con estas cinco cepas, se puede construir cualquier operación aritmética».
El equipo utilizó la bacteria Pantoea agglomerans, que habita ampliamente en la superficie de las plantas, para crear dos tipos de transistores que pueden activarse y desactivarse mediante una molécula denominada «OC-6». El mecanismo consiste en que cada uno detecta la presencia de la molécula target «OC-12» y, en función de las condiciones, produce la molécula de salida «OHC-14». Tres cepas bacterianas de retransmisión se encargan de convertir esta señal en una entrada para otro transistor, lo que permite «cablear» los transistores entre sí, al igual que en una placa de circuito impreso.
Los investigadores construyeron un circuito en el que la señal se transmite únicamente a la colonia más cercana, colocando colonias de bacterias sobre un medio de cultivo de agar a unos 5 mm de distancia entre sí. Al transmitir la señal de una colonia a la siguiente, la información fluye en una sola dirección por la ruta prevista. Gracias a este diseño, han logrado construir circuitos capaces de realizar operaciones lógicas diferentes según la disposición de las colonias, circuitos que procesan varias señales simultáneamente y demultiplexores que distribuyen una misma señal a múltiples destinos en función de una señal de control. El circuito de mayor envergadura suma dos entradas y está formado por 24 colonias bacterianas conectadas entre sí.
En los métodos tradicionales de la biología sintética predominaba el diseño que concentraba todos los sensores y funciones de cálculo en una sola célula. Sin embargo, el número de factores de transcripción utilizables es limitado y concentrar demasiadas funciones suponía una carga excesiva para el mecanismo de producción de proteínas de la célula. Por ello, al distribuir las funciones entre varias células y conectarlas entre sí, se han logrado crear circuitos más diversos. «Hemos podido demostrar que, al conectar funciones simples de células individuales, se puede alcanzar una funcionalidad más compleja», destaca Christopher Voigt, autor principal del artículo y director del Departamento de Ingeniería Biológica del MIT. «Desde el punto de vista computacional, no hay nada que un iPhone pueda hacer y que estos circuitos no».
En cuanto a velocidad de procesamiento, están muy lejos de los circuitos electrónicos de las computadoras, ya que este circuito bacteriano tarda unas ocho horas en completar un único cálculo. Aun así, el equipo no considera que la lentitud sea un punto débil, pues sostiene que, para aplicaciones biológicas, esta percepción del tiempo es la más adecuada. «No pretendemos sustituir a las computadoras, sino integrar el control mediante cálculos en la biología», explica Voigt. «Si pensamos que son las bacterias presentes en las raíces de las plantas o las propias plantas las que realizan los cálculos, podemos decir que una noche, el tiempo que se tarda en realizar un cálculo sencillo, es suficientemente rápido si lo comparamos con todo el periodo de crecimiento».
Más allá de esta tecnología, los investigadores tienen en mente la idea de recubrir la superficie de las hojas y las raíces de las plantas con circuitos bacterianos. Si esto se hiciera realidad, se podría imaginar un uso en el que los circuitos detectaran estrés ambiental, como sequías o plagas, y desencadenaran directamente una respuesta autónoma. En el ámbito agrícola, también sería posible que los circuitos, al detectar estrés, sintetizaran por sí mismos fungicidas. Aunque se trate de un circuito biológico que tarda unas ocho horas en realizar un cálculo, en el ámbito agrícola, donde se trabaja con ciclos de crecimiento estacionales, esta velocidad no resulta demasiado lenta. El día en que las plantas «calculen» su propio estado con la ayuda de las bacterias y tomen decisiones de forma espontánea podría estar más cerca de lo que pensamos.
