Pesquisadores do MIT desenvolveram bactérias capazes de funcionar como transistores, permitindo à equipe criar "placas de circuito" vivas que podem ser impressas em um meio de cultura em uma placa de Petri. 

Em circuitos elétricos, os transistores funcionam como interruptores que podem ligar ou desligar a corrente. Nos circuitos biológicos criados pelos pesquisadores, interruptores bacterianos controlam o fluxo de pequenas moléculas, que enviam sinais para componentes subsequentes do circuito. 

A equipe de pesquisa projetou dois transistores diferentes, juntamente com três cepas bacterianas que transmitem informações entre os transistores, fornecendo-lhes os blocos de construção necessários para projetar praticamente qualquer tipo de circuito. Em um novo estudo, eles usaram essas células para criar circuitos que podem somar duas ou três entradas, ou enviar uma entrada para um local específico no circuito.

“Construímos alguns componentes iniciais de arquitetura de computador que são comumente usados, mas qualquer operação pode ser construída com essas cinco variantes”, diz Hamid Doosthosseini PhD '25, pós-doutorando do MIT e principal autor do novo estudo. 

Utilizando essa abordagem, os pesquisadores esperam desenvolver circuitos que um dia possam revestir folhas ou raízes de plantas, onde seriam capazes de computar informações para detectar e responder a condições ambientais como seca ou ataque de pragas. 

Christopher Voigt, chefe do Departamento de Engenharia Biológica do MIT, é o autor principal do artigo, que foi publicado recentemente na Nature Chemical Biology . O ex-pós-doutorando do MIT, Haorong Chen, também é um dos autores do artigo.

Ao projetar circuitos de biologia sintética, os pesquisadores normalmente modificam as células para expressar proteínas e fatores de transcrição que interagem para realizar uma tarefa, como detectar uma molécula-alvo, o que então desencadeia a produção de uma resposta específica.

Esses circuitos simples podem executar diversas funções lógicas, mas precisam usar fatores de transcrição específicos para evitar interferências internas. Há um número limitado de fatores de transcrição que podem ser usados nesses circuitos, o que limita a complexidade geral que pode ser alcançada em uma única célula. Além disso, colocar muitos circuitos em uma única célula pode sobrecarregar a maquinaria de produção de proteínas da célula.

No novo artigo, os pesquisadores adotaram uma abordagem diferente: em vez de construir um circuito inteiro em uma única célula, eles projetaram células que pudessem funcionar como transistores. Esses transistores podem então ser combinados de diferentes maneiras para criar uma variedade de circuitos.

Para criar os transistores, os pesquisadores escolheram uma bactéria chamada  Pantoea agglomerans , que cresce comumente em superfícies, incluindo plantas. Usando essas células, eles produziram dois tipos de transistores que podem ser ligados ou desligados por uma molécula chamada OC-6. Um dos transistores é ligado por esse estímulo, enquanto o outro é desligado. Cada transistor também detecta a presença de uma molécula alvo, neste caso, OC-12. Dependendo da presença dessa molécula e da ativação do interruptor, os transistores produzem uma molécula de saída conhecida como OHC-14.

Os pesquisadores também usaram três cepas de  Pantoea agglomerans para criar relés, que traduzem o sinal OHC-14 em uma saída que pode ser enviada para outro transistor. Usando essas cepas de relé, os pesquisadores podem "conectar" os transistores, como em uma placa de circuito eletrônico.

Por exemplo, eles poderiam criar uma chave bidirecional com dois transistores que detectam o OC-12 e, em seguida, enviar essa informação para diferentes conjuntos de relés com base na entrada da chave, alimentando, por fim, outros transistores que processam ainda mais o sinal.

Os pesquisadores criaram seus circuitos imprimindo colônias de bactérias em placas contendo ágar, um meio de cultura. Cada colônia é impressa a cerca de 5 milímetros da mais próxima. Isso permite que os sinais viajem apenas até a colônia mais próxima, que então os retransmite para a próxima, de modo que a informação flua apenas em uma direção.

Neste artigo, os pesquisadores demonstraram um transistor capaz de executar diversos tipos de operações lógicas, dependendo de sua localização no circuito, incluindo portas lógicas de múltiplas entradas, "ou" e "implicar". Eles também combinaram os transistores para criar circuitos mais complexos que podem somar dois sinais, processar mais sinais simultaneamente ou funcionar como um demultiplexador — um circuito que recebe um sinal de entrada e o envia para um de vários destinos possíveis, dependendo de um sinal de controle.

O maior desses circuitos, que soma duas entradas, contém 24 colônias bacterianas interligadas.

“Este trabalho mostra que podemos alcançar funções mais complexas interligando funções mais simples em células individuais”, diz Voigt. “Computacionalmente, não há nada que seu iPhone possa fazer que esses circuitos não possam fazer.” 

Os circuitos feitos com essas células levam cerca de oito horas para realizar cada cálculo, muito mais tempo do que um circuito de computador. Mas, para aplicações biológicas, esse é um tempo razoável, dizem os pesquisadores. 

“Não estamos tentando substituir os computadores, mas sim inserir o controle computacional na biologia. Se você tiver bactérias na raiz de uma planta, ou se a própria planta estiver realizando os cálculos, executar uma computação simples durante a noite é rápido o suficiente em comparação com uma estação de crescimento”, diz Voigt.

Se desenvolvido para uso na agricultura, esse tipo de circuito poderia ser aplicado às raízes das plantas para detectar diferentes tipos de estresse. Uma vez detectado um determinado estímulo, ele desencadearia uma resposta, como a síntese de um fungicida.

A pesquisa foi financiada, em parte, pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA e pela Atividade de Projetos de Pesquisa Avançada de Inteligência dos EUA.