Wetenschappers van het Institute of Science and Technology Austria (IST Oostenrijk) zijn erin geslaagd het gedrag van individuele bacteriën te beheersen door ze op een computer aan te sluiten. Het interdisciplinaire team, waaronder experimenteel bioloog Remy Chait en wiskundige Jakob Ruess (nu aan het Institut Pasteur en Inria Saclay in Frankrijk), evenals professoren Calin Guet en Gasper Tkacik, gebruikte de opstelling om een ​​genetisch circuit te bouwen dat deels levend en deels digitaal is. In de experimentele proof of concept, ze lieten de genexpressie in bacteriën oscilleren, en controleerde de oscillatiepatronen door de digitale communicatie tussen individuele bacteriën aan te passen. Een mogelijke toepassing van dergelijke bio-digitale hybride technologie zou het mogelijk kunnen maken om complexe biologische systemen te "debuggen" op dezelfde manier als complexe computercodes:door elk onderdeel afzonderlijk te testen terwijl de omgeving wordt gesimuleerd in een vorm van virtual reality.

Wanneer synthetisch biologen een micro-organisme willen ontwikkelen dat een bepaalde taak kan vervullen als onderdeel van zijn metabolische cyclus, zoals het produceren van een kankermedicijn of een antibioticum, ze moeten meestal een aanzienlijk aantal wijzigingen aanbrengen in het oorspronkelijke organisme. Elk van deze veranderingen heeft verschillende effecten die de effecten van alle andere veranderingen kunnen verstoren, het uiteindelijke resultaat wijzigen. "Zelfs als je begrijpt wat de verschillende onderdelen doen, je weet niet wat er gebeurt als je ze samenvoegt, " legt Remy Chait uit. "Er is feedback tussen hen die het gedrag van het volledige circuit onvoorspelbaar maakt."

Een mogelijke oplossing voor dit probleem komt van softwareontwikkeling en wordt unit- en integratietesten genoemd. Bij deze benadering elk onderdeel wordt afzonderlijk getest en de interactie met de omgeving wordt bestudeerd. De beste manier om dit te doen is door de omgeving in een virtuele ruimte te simuleren en de component te laten interageren met deze virtuele wereld. Het is deze methode die de onderzoekers nu voorstellen om ook op biologische systemen toe te passen.

"Biologische systemen zijn complex, en we zouden er baat bij hebben als we ze konden debuggen als een computercode. Bij unit- en integratietesten, je simuleert de omgeving en sluit elk van de componenten afzonderlijk aan om te controleren of ze werken zoals bedoeld. Dan combineer je ze in paren en begin je helemaal opnieuw. Op deze manier, u zult zien op welk punt feedback en interferentie het systeem gaan storen, en pas het goed aan, ", zegt Remy Chait. Door deze methode te herhalen, het virtuele deel kan gestaag worden verminderd totdat het systeem weer volledig biologisch is, en heeft de gewenste functie.

De onderzoekers demonstreerden de haalbaarheid van bio-digitale hybriden met een bio-digitale oscillator. In hun opstelling, gemodificeerde E.coli-cellen produceren een eiwit dat blauwviolet fluoresceert. Dit gekleurde licht vormt de interface met de digitale kant. Elke zes minuten, de computer meet hoeveel licht de cel produceert, en accumuleert een virtueel signaalmolecuul in verhouding daarmee. Wanneer het signaal een bepaalde drempel overschrijdt, productie van het fluorescerende eiwit door de cel wordt uitgeschakeld. Dit wordt gedaan door een projector die rood of groen licht als een "uit" of "aan" signaal projecteert op de lichtgevoelige cellen en zo de digitale component weer koppelt aan de levende delen van de schakeling. "De cellen hebben interactie met de gesimuleerde omgeving. Wat ze doen, beïnvloedt wat de computer doet, en wat de computer doet, beïnvloedt de reactie van de cellen. Als je weet Star Trek , je hebt zeker gehoord van het Holodeck. Wat we hebben gebouwd is in wezen een eenvoudig Holodeck voor genen van micro-organismen."

Toen de onderzoekers hun hybride circuits testten, de populatie cellen gloeide in blauwviolet - en de gloed oscilleerde, zij het met variaties tussen de individuele bacteriën. Maar de onderzoekers wilden dat de bacteriën synchroon oscilleerden, dus veranderden ze de digitale component en zetten ze een virtueel communicatienetwerk op tussen de bacteriën. In deze opstelling een deel van het virtuele signaal wordt verdeeld tussen buren en de groep bacteriën vertoont verschillende soorten collectieve oscillatie.

Een andere toepassing van het onderzoeksplatform is feedbackcontrole van individuele cellen die hen langs vooraf gespecificeerde trajecten van fluorescerende genexpressie leidt. Op deze manier, ze zouden een groep cellen in de loop van de tijd afbeeldingen of letters kunnen laten traceren (zie afbeelding).