Des chercheurs du MIT ont conçu des bactéries pour fonctionner comme des transistors, créant ainsi des « circuit boards » vivants pouvant être imprimés sur un support de croissance dans une boîte de Petri.
Dans l’électronique conventionnelle, les transistors agissent comme des interrupteurs contrôlant le passage du courant électrique à travers un circuit. Dans le système du MIT, des cellules bactériennes modifiées remplissent un rôle similaire en régulant le mouvement de petites molécules de signalisation. Ces molécules transportent ensuite des informations vers d’autres composants du circuit biologique.
Les chercheurs ont créé deux types de transistors bactériens et trois souches bactériennes supplémentaires agissant comme relais entre eux. Ensemble, ces cinq souches constituent un ensemble modulaire de composants pouvant être agencés pour construire presque n’importe quel type de circuit. Dans la nouvelle étude, l’équipe a démontré des circuits capables d’additionner deux ou trois entrées et de diriger une entrée unique vers une destination sélectionnée.
« Nous avons construit quelques composants d’architecture informatique qui sont couramment utilisés, mais toute opération peut être réalisée avec ces cinq souches, » déclare Hamid Doosthosseini, doctorant au MIT et auteur principal de l’étude.
Une utilisation potentielle consiste à placer ces circuits vivants sur les feuilles ou les racines des plantes. Là, les bactéries pourraient traiter des informations concernant les conditions environnementales, aidant ainsi les plantes à détecter et à répondre à des stress tels que la sécheresse ou les attaques de ravageurs.
Christopher Voigt, responsable du Département d’ingénierie biologique du MIT, est l’auteur senior de l’article récemment publié dans Nature Chemical Biology. L’ancien postdoctorant du MIT, Haorong Chen, figure également parmi les auteurs de l’article.
Transformation des cellules bactériennes en transistors
Les circuits de biologie synthétique sont généralement construits en modifiant des cellules pour produire des protéines et des facteurs de transcription interagissant entre eux. Ces systèmes peuvent être programmés pour réaliser des tâches telles que la détection d’une molécule particulière et la production d’une réponse spécifique.
Ces circuits peuvent exécuter différentes fonctions logiques, mais leur complexité est limitée. Les chercheurs ont généralement besoin de facteurs de transcription distincts pour des opérations séparées afin d’éviter que les signaux ne s’interfèrent. Étant donné qu’il n’existe qu’un nombre limité de facteurs de transcription appropriés, il y a un plafond pratique sur la complexité qu’un circuit peut atteindre à l’intérieur d’une seule cellule.
Pour aborder ce problème, l’équipe du MIT a pris une approche différente. Plutôt que de placer un circuit entier dans une seule cellule, elle a modifié des cellules individuelles pour servir de composants semblables à des transistors pouvant être connectés de différentes manières.
Les chercheurs ont utilisé Pantoea agglomerans, une bactérie qui pousse couramment sur les surfaces, y compris les plantes, pour ces composants. Ils ont modifié deux versions de transistors bactériens répondant à une molécule appelée OC 6, l’un s’activant en présence de cette molécule, l’autre se désactivant.
Chaque transistor détecte également une deuxième molécule cible, OC 12. Selon la présence d’OC 12 et l’activation du transistor, la cellule bactérienne produit une molécule de sortie appelée OHC 14.
Connexion des cellules vivantes
L’équipe a ensuite modifié trois souches de Pantoea agglomerans pour fonctionner comme des relais. Ces cellules convertissent le signal OHC 14 en une autre sortie pouvant servir d’entrée pour le transistor suivant. Ainsi, les composants bactériens individuels peuvent être « câblés » ensemble, tout comme les pièces d’un circuit électronique.
Pour assembler les circuits, les chercheurs ont imprimé des colonies bactériennes sur des plaques contenant de l’agar, qui sert de milieu de croissance. Chaque colonie était positionnée à environ 5 millimètres de son voisin le plus proche. Cet espacement garantit que les signaux chimiques n’atteignent que la colonie suivante dans la séquence, permettant à l’information de circuler dans le circuit dans une seule direction.
Construction de circuits biologiques plus complexes
Les chercheurs ont montré que le même transistor bactérien pouvait exécuter plusieurs opérations logiques selon sa position dans le circuit, y compris des portes « multi-input », « ou » et « implique ». En connectant plusieurs transistors, l’équipe a également créé des systèmes plus sophistiqués. Les circuits pouvaient additionner deux signaux, traiter plusieurs signaux simultanément, ou fonctionner comme un démultiplexeur, qui reçoit un signal entrant et le dirige vers l’une de plusieurs destinations possibles selon un signal de contrôle séparé.
Le plus grand circuit démontré dans l’étude contenait 24 colonies bactériennes interconnectées et était conçu pour additionner deux entrées.
« Ce travail montre que nous pouvons atteindre des fonctions plus compliquées en reliant des fonctions plus simples dans des cellules individuelles, » déclare Voigt. « Sur le plan computationnel, rien de ce que votre iPhone peut faire ne pourrait être fait par ces circuits. »
Cependant, il existe une différence majeure en termes de vitesse. Chaque calcul effectué par les circuits bactériens prend environ huit heures, bien plus longtemps que ce qu’un ordinateur électronique nécessiterait. Pour les applications biologiques, les chercheurs estiment que ce rythme peut rester pratique.
« Nous ne cherchons pas à remplacer les ordinateurs, mais plutôt à intégrer le contrôle computationnel dans la biologie. Si vous avez des bactéries sur la racine d’une plante, ou si la plante elle-même effectue le calcul, réaliser un simple calcul pendant la nuit est suffisamment rapide par rapport à une saison de croissance, » ajoute Voigt.
Ordinateurs vivants pour l’agriculture
Une application possible est l’agriculture. Si ces circuits peuvent éventuellement être placés sur les racines des plantes, ils pourraient être programmés pour détecter différentes formes de stress. Lorsque le système reconnaît un signal particulier, il pourrait déclencher une réponse correspondante, telle que la production d’un fongicide.
Cette recherche a été financée en partie par l’Agence américaine pour les projets de recherche avancée en défense et par l’Agence américaine pour les projets de recherche avancée en matière de renseignement.
