Los científicos del Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria (IST Austria) han logrado controlar el comportamiento de las bacterias individuales conectándolas a una computadora. El equipo interdisciplinario que incluye al biólogo experimental Remy Chait y al matemático Jakob Ruess (ahora en el Institut Pasteur e Inria Saclay en Francia), así como los profesores Calin Guet y Gasper Tkacik, usó la configuración para construir un circuito genético que es en parte vivo y en parte digital. En la prueba de concepto experimental, Hicieron oscilar la expresión génica en bacterias, y controló los patrones de oscilación ajustando la comunicación digital entre bacterias individuales. Una aplicación potencial de tal tecnología híbrida bio-digital podría hacer posible "depurar" sistemas biológicos complejos de la misma manera que se depuran códigos informáticos complejos:probando cada parte individualmente mientras se simula su entorno en una forma de realidad virtual.

Cuando los biólogos sintéticos quieren diseñar un microorganismo que pueda cumplir una determinada tarea como parte de su ciclo metabólico, como producir un medicamento contra el cáncer o un antibiótico, por lo general, tienen que realizar una cantidad significativa de cambios en el organismo original. Cada uno de estos cambios tiene varios efectos que podrían interferir con los efectos de todos los demás cambios, alterando el resultado final. "Incluso si comprende lo que hacen las diferentes partes, no sabes lo que pasa cuando los pones juntos, ", explica Remy Chait." Hay una retroalimentación entre ellos que hace que el comportamiento del circuito completo sea impredecible ".

Una posible solución a este problema proviene del desarrollo de software y se denomina prueba de unidad e integración. En este enfoque, cada componente se prueba individualmente y se estudia su interacción con el entorno. La mejor manera de hacer esto es simular el entorno en un espacio virtual y dejar que el componente interactúe con este mundo virtual. Es este método el que los investigadores proponen ahora aplicar también a los sistemas biológicos.

"Los sistemas biológicos son complejos, y nos beneficiaríamos si pudiéramos depurarlos como un código de computadora. En pruebas unitarias y de integración, simula el entorno y conecta cada uno de los componentes por separado para verificar que funcionan como se espera. Luego, combínalos en pares y comienza de nuevo. De este modo, verá en qué punto la retroalimentación y la interferencia comienzan a perturbar el sistema, y ajústelo apropiadamente, "dice Remy Chait. Al iterar este método, la parte virtual podría reducirse constantemente hasta que el sistema vuelva a ser completamente biológico, y tiene la función deseada.

Los investigadores demostraron la viabilidad de los híbridos bio-digitales con un oscilador bio-digital. En su configuración, Las células de E. coli modificadas producen una proteína que tiene una fluorescencia azul-violeta. Esta luz de color forma la interfaz con el lado digital. Cada seis minutos la computadora mide la cantidad de luz que produce la celda, y acumula una molécula de señal virtual en proporción a ella. Cuando la señal supera un cierto umbral, la producción de la proteína fluorescente por la célula se apaga. Esto lo hace un proyector que proyecta luz roja o verde como una señal de "apagado" o "encendido" en las células sensibles a la luz y, por lo tanto, vincula el componente digital con las partes vivas del circuito. "Las células interactúan con el entorno simulado. Lo que hacen influye en lo que hace la computadora, y lo que hace la computadora influye en la reacción de las células. Si usted sabe Star Trek , ciertamente has oído hablar de la Holodeck. Lo que hemos construido es esencialmente un Holodeck simple para genes de microorganismos ".

Cuando los investigadores probaron sus circuitos híbridos, la población de células brillaba en azul violeta, y el brillo oscilaba, aunque con variaciones entre las bacterias individuales. Pero los investigadores querían que las bacterias oscilaran en sincronía, por lo que alteraron el componente digital y establecieron una red de comunicación virtual entre las bacterias. En esta configuración, parte de la señal virtual se distribuye entre vecinos y el grupo de bacterias muestra diferentes tipos de oscilación colectiva.

Una aplicación diferente de la plataforma del investigador es el control de retroalimentación de células individuales que las guía a lo largo de trayectorias preestablecidas de expresión génica fluorescente. De este modo, podrían hacer que un grupo de células trazaran imágenes o letras a lo largo del tiempo (vea la ilustración).