Immagine copertina generata con l’intelligenza artificiale
I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno sviluppato batteri capaci di funzionare come transistor, aprendo la strada alla realizzazione di veri e propri circuiti viventi. Le colonie cellulari possono essere stampate su un terreno di crescita all’interno di una capsula di Petri e collegate tra loro per elaborare segnali biologici. L’obiettivo non è sostituire i computer tradizionali, ma portare capacità di calcolo direttamente all’interno dei sistemi biologici.
Transistor viventi: la tecnologia che unisce elettronica e biologia
Nei circuiti elettronici, il transistor agisce come un interruttore in grado di controllare il passaggio della corrente. Nel sistema sviluppato dal MIT, un ruolo analogo viene svolto da interruttori biologici che regolano il flusso di piccole molecole, utilizzate per trasmettere informazioni ai componenti successivi del circuito.
Il team ha scelto il batterio Pantoea agglomerans, un microrganismo che cresce comunemente sulle superfici, comprese quelle delle piante. I ricercatori hanno progettato due diversi tipi di transistor, entrambi controllabili attraverso una molecola chiamata OC-6. A seconda delle condizioni, i transistor possono produrre una molecola di output, OC-14, quando rilevano la presenza di OC-12.
Come funziona un circuito stampato su batteri
Per collegare tra loro i transistor, gli scienziati hanno sviluppato anche tre ceppi batterici capaci di funzionare come relè. Queste cellule traducono il segnale prodotto dai transistor in un’altra forma che può essere utilizzata dal componente successivo.
Il risultato è un sistema che ricorda, nella sua struttura, una scheda elettronica: i diversi elementi vengono infatti “collegati” tra loro attraverso segnali biologici. Le colonie batteriche vengono stampate su piastre contenenti agar, un materiale utilizzato come terreno di crescita. Ogni colonia viene posizionata a circa 5 millimetri dalla più vicina, facendo in modo che i segnali raggiungano principalmente la colonia successiva e che l’informazione proceda in una direzione.
Le operazioni logiche diventano possibili
La ricerca dimostra che questi transistor biologici non si limitano a una singola funzione. I ricercatori hanno realizzato componenti capaci di eseguire diverse operazioni logiche, tra cui funzioni multi-input, “OR” e “IMPLY”, modificando il loro ruolo in base alla posizione all’interno del circuito.
Gli elementi possono inoltre essere combinati per costruire architetture più complesse. Il team ha dimostrato circuiti capaci di sommare due segnali, elaborarne diversi contemporaneamente oppure funzionare come demultiplexer, cioè un sistema in grado di indirizzare un segnale verso una delle possibili destinazioni sulla base di un input di controllo.
Un circuito biologico con 24 colonie
Il circuito più grande realizzato durante lo studio è composto da 24 colonie batteriche collegate tra loro e viene utilizzato per sommare due input. Secondo i ricercatori, il principio alla base del sistema permette di costruire funzioni più complesse collegando tra loro funzioni più semplici presenti nelle singole cellule.
C’è però una differenza fondamentale rispetto all’elettronica tradizionale: la velocità. I circuiti biologici impiegano circa otto ore per completare un calcolo, un intervallo enormemente superiore a quello necessario a un normale computer. Per gli autori dello studio, tuttavia, questo limite non rappresenta necessariamente un problema quando il sistema viene applicato alla biologia.
Batteri programmabili per monitorare le piante
L’obiettivo indicato dai ricercatori è infatti utilizzare questi circuiti direttamente negli organismi viventi. Una delle possibili applicazioni riguarda le piante, dove sistemi basati su batteri potrebbero essere sviluppati per rilevare condizioni ambientali specifiche.
I circuiti potrebbero, in prospettiva, essere collocati sulle foglie o sulle radici per riconoscere segnali associati a condizioni come siccità o attacchi di parassiti. Nel settore agricolo, un sistema di questo tipo potrebbe quindi rilevare uno specifico fattore di stress e attivare una risposta biologica, come la sintesi di un fungicida.
La ricerca, pubblicata su Nature Chemical Biology, mostra così come componenti biologici relativamente semplici possano essere combinati per realizzare architetture computazionali viventi, pensate non per competere con l’elettronica, ma per portare l’elaborazione delle informazioni direttamente nel mondo biologico.
Fonte: Techxplore
