Bajo luz fluorescente, el dispositivo se asemeja más a una diminuta constelación de puntos que a una computadora. En realidad, estos puntos son bacterias que emiten luz roja y verde sobre una placa de agar y que pueden realizar cálculos matemáticos. Una colonia recibe un mensaje químico. Otra decide si lo deja pasar. Otras lo transmiten a lo largo de la cadena.
Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) han modificado genéticamente bacterias para que funcionen como transistores y, posteriormente, han organizado colonias de estas bacterias en lo que equivale a un circuito electrónico viviente. En el nuevo estudio publicado en Nature Chemical Biology, el equipo utilizó tan solo cinco cepas modificadas para construir circuitos capaces de enrutar información, sumar dos entradas binarias y realizar una operación de suma completa con tres entradas.
Lo sorprendente no es simplemente que las bacterias puedan computar. Los biólogos sintéticos llevan años logrando que las células realicen cálculos lógicos. Lo sorprendente es que los investigadores pueden modificar la computación sin rediseñar las bacterias. Dos cepas funcionan como transistores biológicos y tres como relés. Al reorganizar esos cinco componentes básicos en la placa, el circuito realiza una función diferente.
“Hemos creado algunos componentes iniciales de arquitectura informática de uso común, pero cualquier operación puede construirse con estas cinco variantes”, dijo Hamid Doosthosseini, investigador postdoctoral del MIT y autor principal del estudio, en MIT News.
Un transistor fabricado a partir de una colonia de bacterias
Un transistor convencional funciona como una válvula controlada eléctricamente. Una señal entra por un terminal, sale por otro y una tercera entrada determina si ese paso está abierto o cerrado. Los investigadores recrearon químicamente esa arquitectura básica.
Trabajaron con Pantoea agglomerans, una bacteria que se encuentra comúnmente en la superficie de las plantas. Una cepa modificada genéticamente actúa de forma similar a un transistor de tipo N: transmite una señal química solo cuando hay una segunda señal de “interruptor”. La otra se comporta como su contraparte de tipo P, permitiendo el paso de la señal a menos que se active dicho interruptor.
En lugar de electrones, el circuito transporta pequeñas moléculas que las bacterias ya utilizan para comunicarse. Una molécula llamada OC12 actúa como señal de entrada, OC6 acciona el interruptor y un transistor activado produce otra molécula, OHC14, como salida. Tres cepas bacterianas adicionales actúan como relés, traduciendo un mensaje químico en otro para activar el siguiente transistor.
La parte de la traducción es importante porque las moléculas se difunden naturalmente en todas direcciones. Un circuito necesita algo más cercano a un cable, que envíe información hacia el siguiente componente en lugar de bañar indiscriminadamente todo lo que esté cerca. Los investigadores insertaron una señal química intermedia y espaciaron físicamente las colonias para que un mensaje llegara preferentemente a su vecino previsto.
Posteriormente, imprimieron las bacterias en agar utilizando una máquina acústica de manipulación de líquidos que depositaba gotitas de tan solo 2,5 nanolitros. Las colonias que necesitaban comunicarse generalmente se ubicaban a unos cinco milímetros de distancia. Un borde de bacterias fluorescentes verdes, por lo demás inactivas, impedía que las colonias de los bordes crecieran de forma diferente simplemente porque disponían de más nutrientes. La lógica se está alejando cada vez más del ADN.
Esta no es la primera vez que los científicos logran que las células actúen como componentes informáticos. Sin embargo, los enfoques anteriores generalmente implicaban incorporar gran parte del diseño del circuito dentro del ADN de las células.
En un estudio histórico publicado en 2011 en la revista Nature, Christopher Voigt, autor principal del nuevo artículo, y sus colegas modificaron genéticamente colonias de E. coli para que realizaran operaciones lógicas NOR y las conectaron con “cables” químicos. Al cambiar la forma en que se comunicaban las colonias, los investigadores pudieron construir diferentes operaciones lógicas.
Desde entonces, los investigadores han llevado la computación biológica mucho más lejos. Un estudio de 2018 publicado en Nature Methods ensambló células de mamíferos que se comunicaban entre sí para formar un sumador completo de tres entradas, por lo que el sumador completo en sí no es la novedad aquí. Un artículo de 2021 publicado en Nature Communications incluso imprimió “tintas” bacterianas sobre papel y demostró que cambiar su disposición espacial podía modificar el cálculo.
Pero la ampliación de estos sistemas se ha topado repetidamente con un problema de cableado biológico. Cada puerta genética puede necesitar sus propias señales de entrada y salida compatibles, y la introducción de muchos circuitos genéticos en la misma célula sobrecarga la maquinaria que esta necesita para sobrevivir.
La magnitud de este problema quedó especialmente clara en otro estudio del grupo de Voigt, publicado en Nature Chemical Biology en 2025. Los investigadores dividieron una versión de dos bits del algoritmo de hash MD5 entre 66 cepas de E. coli modificadas genéticamente que contenían 110 puertas lógicas, lo que requería en conjunto aproximadamente 1,1 millones de bases de ADN introducido. Dado que las diferentes células necesitan distintas funciones de detección, lógica y comunicación codificadas genéticamente, escalar una computadora biológica de esta manera se vuelve cada vez más complejo hasta que se llega a un punto muerto.
La nueva arquitectura resuelve algunos de estos problemas desde la dirección opuesta. En lugar de construir un catálogo cada vez mayor de compuertas y cables genéticamente distintos, los investigadores crearon un catálogo muy pequeño de piezas reutilizables y trasladaron gran parte de la complejidad a la ubicación de dichas piezas.
Las variantes de transistores no contienen instrucciones genéticas que indiquen, en efecto, “forma parte de un semisumador” o “forma parte de un demultiplexor”. Simplemente realizan una operación reutilizable: según una señal de conmutación, permiten o bloquean el paso de otra señal química. Las tres variantes de relés simplemente traducen una molécula de señalización en otra. Luego, los investigadores determinan el cálculo más complejo colocando esos mismos cinco tipos de células en diferentes disposiciones.
“Este trabajo demuestra que podemos lograr funciones más complejas conectando funciones más simples en células individuales”, declaró Voigt en MIT News. “Desde el punto de vista computacional, no hay nada que tu iPhone pueda hacer que estos circuitos no puedan hacer”.
Puede sumar, incluso cuando algunas partes dan una respuesta incorrecta
Utilizando distintas combinaciones de las mismas cepas, los investigadores construyeron un demultiplexor que recibe una señal y la dirige hacia uno de cuatro destinos según dos entradas de control. Este circuito requirió 22 colonias.
También crearon un semisumador, que suma dos números de un bit e informa tanto la suma como si se requiere un acarreo. Finalmente, construyeron un sumador completo de 24 colonias, que acepta tres entradas de un bit (dos números más un acarreo entrante) y calcula una suma y un acarreo saliente.
Cuando los investigadores probaron el sumador completo, descubrieron que incluso cuando algunos de sus componentes fallaban, el circuito seguía dando la respuesta final correcta. Los investigadores contabilizaron 18 estados internos incorrectos en los experimentos con sumadores completos, principalmente colonias que se activaban débilmente cuando debían permanecer desactivadas debido a la filtración de señales de colonias cercanas. Sin embargo, las salidas finales se mantuvieron correctas en las configuraciones probadas. El equipo había diseñado el circuito de manera que las señales no deseadas estuvieran demasiado lejos para propagarse o llegaran a lugares donde simplemente reforzaban la respuesta que el circuito ya debía producir.
Esa tolerancia a fallos podría resultar útil en entornos exigentes como el tejido vivo o el suelo, donde un ordenador de silicio convencional se averiaría. Pero también pone de manifiesto lo lejos que está el sistema de ser un chip electrónico.
Las señales viajan con extrema lentitud. Los investigadores midieron un promedio de aproximadamente ocho horas para que una colonia propagara una señal, y las placas de circuitos más grandes se evaluaron generalmente después de unas 72 horas. Un procesador de silicio moderno, en comparación, opera en escalas de tiempo de nanosegundos o subnanosegundos: a unos pocos gigahercios, solo una fracción de una milmillonésima de segundo separa ciclos de reloj sucesivos. Por lo tanto, ocho horas son aproximadamente 100 billones de veces más largas que un solo ciclo de reloj de una CPU moderna.
Para estos circuitos biológicos, sin embargo, la velocidad no es lo más importante. Un dispositivo instalado en la raíz de una planta puede tener horas o días para decidir cómo responder a la sequía o a una enfermedad.
Un ordenador que acaba consumiendo su propia fuente de alimentación
A medida que un circuito bacteriano funciona, sus colonias consumen nutrientes. Las moléculas que transportan señales se acumulan y se difunden hacia lugares donde no son deseadas. Finalmente, las colonias crecen fusionándose unas con otras.
Estos efectos limitan considerablemente la utilidad y la escalabilidad de dicha tecnología. Los autores señalan que la acumulación de señales y la interferencia hacen imposible, por ahora, operar una de estas computadoras biológicas durante más de tres días. Sugieren que las enzimas podrían destruir las moléculas de señalización antiguas, eliminando así la señal química una vez utilizada.
También está la cuestión del tamaño. Un transistor en una de estas placas puede ser una colonia de aproximadamente medio centímetro de diámetro que contiene cientos de millones o incluso miles de millones de celdas. Los transistores electrónicos modernos se miden en nanómetros.
Sin embargo, los autores señalan que la colonia no es fundamentalmente el transistor. Cada bacteria modificada genéticamente, de aproximadamente un micrómetro de diámetro, contiene la maquinaria necesaria para realizar esa función. Reducir las distancias entre las células que se comunican, ralentizar su crecimiento, suministrarles nutrientes de forma continua o integrarlas en materiales tridimensionales podría permitir sistemas mucho más densos, aunque la vida útil del transistor biológico sigue siendo un reto difícil de superar.
Los investigadores están particularmente interesados en la agricultura. Dado que P. agglomerans coloniza de forma natural las superficies de las plantas, las futuras versiones podrían vivir en las raíces o las hojas, integrando diversas señales ambientales antes de decidir si una planta necesita una respuesta, produciendo tal vez un compuesto protector solo cuando se detecta una combinación particular de factores de estrés.
“No pretendemos sustituir a los ordenadores, sino introducir el control computacional en la biología. Si hay bacterias en la raíz de una planta, o si la propia planta realiza los cálculos, ejecutar una simple operación durante la noche es lo suficientemente rápido en relación con una temporada de crecimiento”, declaró Voigt en MIT News.
Para un ordenador portátil, ocho horas es un tiempo absurdamente lento. Para una raíz que decide qué hacer durante el verano, puede ser un tipo de reloj completamente diferente.
Fuente: ZME Science.
