Pesquisadores controlam bactérias via computador através de interface bio-digital

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Publicado na Eurek Alert

Cientistas da Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) conseguiram controlar o comportamento de bactérias individuais ao conectá-las a um computador. A equipe interdisciplinar, incluindo o biólogo experimental Remy Chait e o matemático Jakob Ruess como principais autores do estudo, usou o setup para construir um circuito genético que é parte vivo e parte digital. O experimento, no qual eles fizeram a expressão de um gene nas bactérias oscilar, e controlaram o padrão de oscilação ao ajustar comunicações digitais entre bactérias individuais, serve como prova de conceito. Uma aplicação potencial desta tecnologia híbrida bio-digital poderia tornar possível “depurar” sistemas biológicos complexos da mesma forma que códigos computacionais complexos são depurados: testando cada parte individualmente enquanto simula os seus arredores em uma espécie de realidade virtual.

Quando biólogos sintéticos querem engenhar um microrganismo capaz de cumprir uma determinada tarefa, como produzir uma droga anti-cancerígena ou um antibiótico como parte de seu ciclo metabólico, eles geralmente tem que fazer um número significativo de mudanças no organismo original. Cada uma dessas mudanças tem diversos efeitos que podem interferir com os efeitos de todas as outras mudanças, alterando o resultado final. “Mesmo se você entender o que as diversas partes fazem, você não sabe o que acontece quando você as une” explicou Remy Chait. “Há um feedback entre eles que faz o comportamento do circuito completo ser imprevisível”.

Uma solução em potencial para esse problema vem do desenvolvimento de software e é chamado de teste de unidade e integração. Nessa abordagem, cada componente é testado individualmente e sua interação com os arredores é estudada. A melhor maneira de fazer isso é simulando os arredores em um espaço virtual e deixar os componentes interagirem nesse mundo virtual. “Sistemas biológicos são complexos e nós nos beneficiaríamos se conseguíssemos depurá-los como um código de computador. No teste de unidade e integração, você simula o ambiente e insere cada um dos componentes separadamente para verificar se eles funcionam como desejado. Então você os combina em pares, e começa de novo. Dessa forma você pode observar em qual ponto o feedback e interferência começam a perturbar o sistema, e o ajusta de acordo” explicou Remy Chait. Ao iterar este método, a parte virtual pode ser constantemente reduzida até o sistema ser totalmente biológico novamente – e com a função desejada!

Os pesquisadores demonstraram a viabilidade de híbridos bio-digitais através de um oscilador bio-digital. Nessa configuração, células modificadas de E. Coli produziram uma proteína fluorescente na cor azul-violeta. Essa luz colorida forma a interface do lado digital. A cada seis minutos, o computador media quanta luz as células produziam, e acumulava uma molécula de sinal virtual em proporção. Quando o sinal excedia um dado limite, a produção de proteínas fluorescentes pelas células era desligada. Isso foi feito através de um projetor que projetava luz verde ou vermelha como sinais de “ligado” e “desligado” sobre as células sensíveis à luz, ligando o componente digital de volta à parte viva do circuito. “As células estão interagindo com o ambiente simulado. O que elas fazem influencia o que o computador faz, e o que o computador faz influencia a resposta das células. Se você conhece Star Trek, você certamente já ouviu falar do Holodeck. O que nós construímos é essencialmente um Holodeck simples para genes de microrganismos”.

Quando os pesquisadores testaram os seus circuitos híbridos, a população de células brilhou em azul violeta – e o brilho oscilava, ainda que com variações entre as bactérias individuais. Mas os pesquisadores queriam que as bactérias oscilassem em sincronia, então eles alteraram o componente digital e configuraram uma rede de comunicação virtual entre as bactérias. Nessa configuração, parte do sinal digital era distribuído entre vizinhas e o grupo de bactérias apresentou diferentes tipos de oscilação coletiva.

Uma aplicação diferente desta plataforma de pesquisa é o controle de feedback de células individuais que as guia através de trajetórias pré-especificadas de expressão de gene de fluorescência. Dessa forma, eles podem fazer um grupo de células fazer figuras ou escrever letras ao longo do tempo (ver foto de capa).

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