Ce-ar fi daca o planta ar putea nu doar sa simta ca este atacata de un daunator, ci si sa „calculeze” ce se întâmpla si sa decida singura cum sa reactioneze?
Cercetatorii de la MIT au facut un pas în aceasta directie, transformând bacterii obisnuite în componente asemanatoare tranzistorilor si conectându-le în circuite biologice capabile sa proceseze informatii.
În locul curentului electric folosit de calculatoarele obisnuite, aceste circuite folosesc molecule care transporta semnale de la o celula bacteriana la alta. Cercetatorii au demonstrat ca sistemul poate executa operatii logice si chiar poate aduna doua semnale.
Cel mai mare circuit testat a inclus 24 de colonii bacteriene interconectate. Ideea ar putea avea, în viitor, aplicatii în agricultura. Bacteriile ar putea fi amplasate pe frunzele sau radacinile plantelor pentru a detecta semne de seceta, atacuri ale insectelor sau boli si pentru a declansa automat un raspuns.
Deocamdata, însa, vorbim despre o tehnologie experimentala, nu despre plante dotate deja cu „calculatoare vii”. În electronica traditionala, tranzistorul este una dintre piesele fundamentale ale unui circuit. El poate functiona asemenea unui întrerupator: permite sau blocheaza trecerea curentului electric în functie de semnalul primit.
Milioane sau chiar miliarde de astfel de componente pot fi combinate pentru a realiza operatii matematice si logice extrem de complexe. Cercetatorii au încercat sa reproduca aceeasi idee în interiorul unui sistem biologic. În loc sa controleze electroni, bacteriile lor controleaza semnale chimice.
Echipa a folosit Pantoea agglomerans, o bacterie care se gaseste în mod obisnuit pe suprafete, inclusiv pe plante.
Cercetatorii au modificat genetic bacteria pentru a crea doua tipuri de „tranzistori” biologici. Aceste celule reactioneaza la molecule-semnal numite OC6 si OC12 si produc, în functie de combinatia de semnale pe care o detecteaza, o alta molecula, denumita OHC14.
Unul dintre tipurile de tranzistori este activat de OC6, în timp ce celalalt este dezactivat de prezenta acestei molecule. OC12 functioneaza ca un al doilea semnal de control. Rezultatul este o „celula biologica” programabila care poate decide daca transmite mai departe un anumit semnal. Dar un singur „tranzistor bacterian” nu este suficient pentru a construi un calculator.
Adevarata provocare este conectarea mai multor componente. Pentru acest lucru, cercetatorii au creat înca trei tulpini bacteriene, care functioneaza ca relee. Acestea primesc semnalul OHC14 produs de un tranzistor si îl transforma într-un alt semnal chimic, care poate fi recunoscut de urmatoarea componenta.
În acest fel, celulele pot fi „legate” între ele fara fire si fara circuite electronice. Informatia circula sub forma unor molecule care trec de la o colonie bacteriana la alta. Pentru a construi circuitele, cercetatorii au imprimat colonii bacteriene pe placi cu agar, un material folosit ca mediu de crestere.
Coloniile au fost plasate la aproximativ 5 milimetri una de alta. Distanta este importanta deoarece permite semnalului chimic sa ajunga la componenta urmatoare fara sa interfereze prea mult cu celelalte parti ale circuitului. Practic, cercetatorii au creat o versiune biologica a unei placi de circuit cibernetic.
Un „calculator biologic”
Performantele demonstrate de echipa sunt surprinzator de sofisticate pentru un sistem construit din organisme vii. Cele cinci tipuri de bacterii pot fi combinate în diferite configuratii pentru a realiza mai multe operatii logice.
Cercetatorii au demonstrat porti logice cu mai multe intrari. Au construit, de asemenea, circuite care pot procesa mai multe semnale simultan si un sistem numit demultiplexor, capabil sa primeasca un semnal si sa îl directioneze catre una dintre mai multe destinatii, în functie de un semnal de control.
Cel mai mare circuit prezentat în studiu a avut 24 de colonii bacteriene interconectate si a fost proiectat sa adune doua semnale. Aici apare însa o diferenta uriasa fata de electronica moderna: aceste calculatoare biologice sunt extrem de lente. O operatie poate dura aproximativ opt ore.
Pentru un smartphone sau un computer, un asemenea interval este enorm. Dar cercetatorii nu încearca sa construiasca un rival biologic pentru telefoanele sau laptopurile noastre. Scopul este diferit: sa introduca capacitatea de calcul direct în organisme si în ecosisteme biologice.
Într-o planta, de exemplu, nu este neaparat nevoie ca un raspuns sa apara într-o fractiune de secunda. Daca o planta este expusa timp de mai multe ore unor conditii de seceta sau unui atac de insecte, un sistem care poate analiza semnalele peste noapte ar putea fi suficient de rapid. Aceasta perspectiva deschide una dintre cele mai interesante posibile aplicatii ale tehnologiei: agricultura.
Imaginati-va ca bacterii modificate genetic sunt amplasate pe radacinile unei plante. Ele ar putea detecta molecule asociate cu stresul, cu o infectie fungica sau cu prezenta unui daunator. Semnalele ar fi procesate de circuitul bacterian, iar rezultatul ar putea declansa o reactie specifica a plantei.
Într-un scenariu viitor, un asemenea sistem ar putea detecta o boala si determina planta sa produca o substanta de aparare, de exemplu un compus antifungic. În loc ca fermierul sa trateze întreaga cultura preventiv, plantele ar putea avea un sistem biologic capabil sa reactioneze local atunci când apare o amenintare.
Urmatorii pasi vor trebui sa arate daca aceste circuite pot functiona în conditii reale, pe plante si în medii agricole variabile. De asemenea, cercetatorii vor trebui sa controleze cu mare precizie comportamentul bacteriilor si sa se asigure ca sistemele ramân stabile si predictibile.
GABRIEL TUDOR
Comentarii