Forskare vid Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) har lyckats kontrollera beteendet hos enskilda bakterier genom att ansluta dem till en dator. Det tvärvetenskapliga teamet inklusive experimentbiologen Remy Chait och matematikern Jakob Ruess (nu vid Institut Pasteur och Inria Saclay i Frankrike), liksom professorerna Calin Guet och Gasper Tkacik, använde installationen för att bygga en genetisk krets som delvis är levande och delvis digital. I det experimentella beviset på konceptet, de fick genuttryck i bakterier att svänga, och kontrollerade svängningsmönstren genom att justera digital kommunikation mellan enskilda bakterier. En potentiell tillämpning av sådan bio-digital hybridteknologi skulle kunna göra det möjligt att "felsöka" komplexa biologiska system på samma sätt som komplexa datorkoder felsöks:genom att testa varje del individuellt samtidigt som dess omgivning simuleras i en form av virtuell verklighet.

När syntetiska biologer vill konstruera en mikroorganism som kan utföra en viss uppgift som en del av sin metabola cykel, som att producera ett cancerläkemedel eller ett antibiotikum, de måste vanligtvis göra ett betydande antal förändringar av den ursprungliga organismen. Var och en av dessa förändringar har flera effekter som kan störa effekterna av alla andra förändringar, ändra det slutliga resultatet. "Även om du förstår vad de olika delarna gör, du vet inte vad som händer när du sätter ihop dem, "förklarar Remy Chait." Det finns feedback mellan dem som gör beteendet i hela kretsen oförutsägbart. "

En potentiell lösning på detta problem kommer från mjukvaruutveckling och kallas enhets- och integrationstestning. I detta tillvägagångssätt, varje komponent testas individuellt och dess interaktion med omgivningen studeras. Det bästa sättet att göra detta är att simulera omgivningen i ett virtuellt utrymme och låta komponenten interagera med denna virtuella värld. Det är denna metod som forskarna nu föreslår ska tillämpas även på biologiska system.

"Biologiska system är komplexa, och vi skulle tjäna på om vi kunde felsöka dem som en datorkod. Vid enhets- och integrationstestning, du simulerar miljön och kopplar in var och en av komponenterna separat för att verifiera att de fungerar som avsett. Sedan kombinerar du dem i par och börjar om från början. På det här sättet, du kommer att se när återkoppling och störningar börjar störa systemet, och justera det på lämpligt sätt, säger Remy Chait. Genom att upprepa denna metod, den virtuella delen kan minskas stadigt tills systemet är helt biologiskt igen, och har önskad funktion.

Forskarna visade genomförbarheten av biodigitala hybrider med en biodigital oscillator. I deras upplägg, modifierade E.coli-celler producerar ett protein som fluorescerar blåviolett. Detta färgade ljus utgör gränssnittet med den digitala sidan. Var sjätte minut, datorn mäter hur mycket ljus cellen producerar, och ackumulerar en virtuell signalmolekyl i proportion till den. När signalen överskrider en viss tröskel, produktionen av det fluorescerande proteinet av cellen stängs av. Detta görs av en projektor som projicerar rött eller grönt ljus som en "av"- eller "på"-signal på de ljuskänsliga cellerna och därigenom länkar den digitala komponenten tillbaka till de levande delarna av kretsen. "Cellerna interagerar med den simulerade miljön. Vad de gör påverkar vad datorn gör, och vad datorn gör påverkar cellernas reaktion. Om du vet Star Trek , du har säkert hört talas om Holodeck. Det vi har byggt är i grunden ett enkelt Holodeck för gener från mikroorganismer."

När forskarna testade sina hybridkretsar, populationen av celler glödde i blåviolett - och glödet oscillerade, om än med variationer mellan de enskilda bakterierna. Men forskarna ville att bakterierna skulle svänga synkront, så de ändrade den digitala komponenten och satte upp ett virtuellt kommunikationsnätverk mellan bakterierna. I denna uppställning, en del av den virtuella signalen fördelas mellan grannar och gruppen av bakterier uppvisar olika typer av kollektiva svängningar.

En annan tillämpning av forskarens plattform är återkopplingskontroll av enskilda celler som guidar dem längs fördefinierade banor för fluorescerande genuttryck. På det här sättet, de kunde få en grupp celler att spåra bilder eller bokstäver över tiden (se illustration).