La E. coli prospera en nuestras entrañas, a veces con un efecto desafortunado, y facilita los avances científicos, en el ADN, los biocombustibles y la vacuna covid de Pfizer, por nombrar solo algunos. Ahora, esta bacteria de múltiples talentos tiene un nuevo truco: puede resolver un problema clásico de laberinto computacional utilizando la computación distribuida, dividiendo los cálculos necesarios entre diferentes tipos de células modificadas genéticamente.
Esta genial hazaña es un crédito para la biología sintética, que tiene como objetivo montar circuitos biológicos de forma muy similar a los circuitos electrónicos y programar células con la misma facilidad que las computadoras.
El experimento del laberintoEsto es parte de lo que algunos investigadores consideran una dirección prometedora en el campo: en lugar de diseñar un solo tipo de celda para hacer todo el trabajo, diseñan múltiples tipos de celdas, cada una con diferentes funciones, para hacer el trabajo. Trabajando en conjunto, estos microbios diseñados podrían ser capaces de “computar” y resolver problemas más como redes multicelulares en la naturaleza.
Hasta ahora, para bien o para mal, el aprovechamiento completo del poder de diseño de la biología ha eludido y frustrado a los biólogos sintéticos. “Naturaleza puede hacer esto (piense en un cerebro), pero nosotros todavía no sé cómo diseñar a ese abrumador nivel de complejidad utilizando la biología ”, dice Pamela Silver, bióloga sintética de Harvard.
El estudio con E. coli como solucionadores de laberintos, dirigido por el biofísico Sangram Bagh en el Instituto Saha de Física Nuclear en Calcuta, es un problema de juguete simple y divertido. Pero también sirve como una prueba de principio para la computación distribuida entre celdas, demostrando cómo problemas computacionales más complejos y prácticos podrían resolverse de manera similar. Si este enfoque funciona a mayor escala, podría desbloquear aplicaciones relacionadas con todo, desde productos farmacéuticos hasta agricultura y viajes espaciales.
“A medida que avanzamos en la resolución de problemas más complejos con sistemas biológicos diseñados, distribuir la carga de esta manera será una capacidad importante de establecer”, dice David McMillen, bioingeniero de la Universidad de Toronto.
Cómo construir un laberinto bacteriano
Obtener E. coli Resolver el problema del laberinto requirió cierto ingenio. Las bacterias no deambulaban por un laberinto palaciego de setos bien podados. Más bien, las bacterias analizaron varias configuraciones de laberintos. La configuración: un laberinto por tubo de ensayo, con cada laberinto generado por una mezcla química diferente.
Las recetas químicas se extrajeron de una cuadrícula de 2 × 2 que representa el problema del laberinto. El cuadrado superior izquierdo de la cuadrícula es el comienzo del laberinto y el cuadrado inferior derecho es el destino. Cada cuadrado de la cuadrícula puede ser un camino abierto o bloqueado, lo que genera 16 laberintos posibles.
Bagh y sus colegas tradujeron matemáticamente este problema en una tabla de verdad compuesta de 1arena 0s, mostrando todas las configuraciones de laberinto posibles. Luego mapearon esas configuraciones en 16 mezclas diferentes de cuatro productos químicos. La presencia o ausencia de cada sustancia química corresponde a si un cuadrado en particular está abierto o bloqueado en el laberinto.
El equipo diseñó varios conjuntos de E. coli con diferentes circuitos genéticos que detectaron y analizaron esos químicos. En conjunto, la población mixta de bacterias funciona como una computadora distribuida; cada uno de los distintos conjuntos de células realiza parte del cálculo, procesa la información química y resuelve el laberinto.
Al ejecutar el experimento, los investigadores primero pusieron el E. coli en 16 tubos de ensayo, añadió una mezcla de laberinto químico diferente en cada uno y dejó que las bacterias crecieran. Después de 48 horas, si el E. coli no detectó un camino claro a través del laberinto, es decir, si los productos químicos necesarios estaban ausentes, entonces el sistema permaneció oscuro. Si estaba presente la combinación química correcta, los circuitos correspondientes se “encendían” y las bacterias expresaban colectivamente proteínas fluorescentes, en amarillo, rojo, azul o rosa, para indicar soluciones. “Si hay un camino, una solución, las bacterias brillan”, dice Bagh.
KATHAKALI SARKAR Y SANGRAM BAGH
Lo que Bagh encontró particularmente emocionante fue que al recorrer los 16 laberintos, el E. coli proporcionó prueba física de que solo tres eran solucionables. “Calcular esto con una ecuación matemática no es sencillo”, dice Bagh. “Con este experimento, puede visualizarlo de manera muy simple”.
Altos objetivos
Bagh imagina que una computadora biológica de este tipo ayudará en la criptografía o esteganografía (el arte y la ciencia de ocultar información), que utilizan laberintos para cifrar y encubrir datos, respectivamente. Pero las implicaciones se extienden más allá de esas aplicaciones a las ambiciones más elevadas de la biología sintética.
La idea de Biología sintética data de la década de 1960, pero el campo surgió concretamente en 2000 con la creación de circuitos biológicos sintéticos (específicamente, un interruptor de palanca y un oscilador) que hizo cada vez más posible programar células para producir compuestos deseados o reaccionar inteligentemente dentro de sus entornos.