Un bio-ordinateur E. coli résout un labyrinthe en partageant le travail

Andréa Chronopoulos

E. coli prospère dans nos tripes, parfois avec un effet malheureux, et facilite les avancées scientifiques - dans l'ADN, les biocarburants et le vaccin covid de Pfizer, pour n'en citer que quelques-uns. Maintenant, cette bactérie aux multiples talents a une nouvelle astuce : elle peut résoudre un problème de labyrinthe informatique classique en utilisant l'informatique distribuée, en divisant les calculs nécessaires entre différents types de cellules génétiquement modifiées.

Cette prouesse est à mettre au crédit de la biologie synthétique, qui vise à assembler des circuits biologiques comme des circuits électroniques et à programmer des cellules aussi facilement que des ordinateurs.

L'expérience du labyrinthe Cela fait partie de ce que certains chercheurs considèrent comme une direction prometteuse dans le domaine : plutôt que de concevoir un seul type de cellule pour faire tout le travail, ils conçoivent plusieurs types de cellules, chacune avec des fonctions différentes, pour faire le travail. Travaillant de concert, ces microbes modifiés pourraient être capables de calculer et de résoudre des problèmes plus proches des réseaux multicellulaires dans la nature.

Jusqu'à présent, pour le meilleur ou pour le pire, exploiter pleinement le pouvoir de conception de la biologie a échappé et frustré les biologistes synthétiques. La nature peut le faire (pensez à un cerveau), mais nous Je ne sais pas encore comment concevoir à ce niveau de complexité écrasant en utilisant la biologie, déclare Pamela Silver, biologiste synthétique à Harvard.

L'étude avec E. coli en tant que résolveurs de labyrinthe, dirigé par le biophysicien Sangram Bagh à l'Institut Saha de physique nucléaire de Kolkata, est un problème de jouet simple et amusant. Mais cela sert également de preuve de principe pour le calcul distribué entre les cellules, démontrant comment des problèmes de calcul plus complexes et pratiques pourraient être résolus de la même manière. Si cette approche fonctionne à plus grande échelle, elle pourrait débloquer des applications concernant tout, des produits pharmaceutiques à l'agriculture en passant par les voyages spatiaux.

Alors que nous entrons dans la résolution de problèmes plus complexes avec des systèmes biologiques artificiels, répartir la charge comme celle-ci va être une capacité importante à établir, déclare David McMillen, bioingénieur à l'Université de Toronto.

Comment construire un labyrinthe bactérien

Obtenir E. coli résoudre le problème du labyrinthe impliquait une certaine ingéniosité. La bactérie n'a pas erré dans un palais labyrinthe de haies bien taillées. Au lieu de cela, les bactéries ont analysé diverses configurations de labyrinthe. La configuration : un labyrinthe par tube à essai, chaque labyrinthe étant généré par une concoction chimique différente.

Les recettes chimiques ont été extraites d'une grille 2 × 2 représentant le problème du labyrinthe. Le carré supérieur gauche de la grille est le début du labyrinthe et le carré inférieur droit est la destination. Chaque carré de la grille peut être soit un chemin ouvert, soit bloqué, donnant 16 labyrinthes possibles.

Bagh et ses collègues ont mathématiquement traduit ce problème en une table de vérité composée de un sable 0 s, montrant toutes les configurations de labyrinthe possibles. Ensuite, ils ont cartographié ces configurations sur 16 concoctions différentes de quatre produits chimiques. La présence ou l'absence de chaque produit chimique correspond au fait qu'une case particulière est ouverte ou bloquée dans le labyrinthe.

L'équipe a conçu plusieurs ensembles de E. coli avec différents circuits génétiques qui ont détecté et analysé ces produits chimiques. Ensemble, la population mixte de bactéries fonctionne comme un ordinateur distribué ; chacun des différents ensembles de cellules effectue une partie du calcul, traite les informations chimiques et résout le labyrinthe.

En exécutant l'expérience, les chercheurs ont d'abord mis le E. coli dans 16 tubes à essai, a ajouté une concoction de labyrinthe chimique différente dans chacun et a laissé les bactéries se développer. Après 48 heures, si le E. coli n'a détecté aucun chemin clair à travers le labyrinthe - c'est-à-dire si les produits chimiques requis étaient absents - alors le système est resté sombre. Si la combinaison chimique correcte était présente, les circuits correspondants s'activaient et les bactéries exprimaient collectivement des protéines fluorescentes, en jaune, rouge, bleu ou rose, pour indiquer les solutions. S'il y a un chemin, une solution, les bactéries brillent, dit Bagh.

Quatre des 16 configurations de labyrinthe possibles sont présentées. Les deux labyrinthes à gauche n'ont pas de chemins clairs du début à la destination (en raison de carrés obstrués/ombrés) ; ainsi, il n'y a pas de solution et le système est sombre. Pour les deux labyrinthes de droite, il y a des chemins dégagés (carrés blancs), donc le E. coli le résolveur de labyrinthe brille - les bactéries expriment collectivement des protéines fluorescentes, indiquant les solutions.

KATHAKALI SARKAR ET SANGRAM BAG

Ce que Bagh a trouvé particulièrement excitant, c'est qu'en parcourant les 16 labyrinthes, le E. coli fourni la preuve physique que seulement trois étaient résolubles. Calculer cela avec une équation mathématique n'est pas simple, dit-il. Avec cette expérience, vous pouvez le visualiser très simplement.

De nobles objectifs

Bagh envisage un tel ordinateur biologique aidant à la cryptographie ou à la stéganographie (l'art et la science de cacher des informations), qui utilisent des labyrinthes pour Crypter et cacher données, respectivement. Mais les implications s'étendent au-delà de ces applications aux ambitions plus élevées de la biologie synthétique.

L'idée de la biologie de synthèse remonte aux années 1960, mais le domaine a émergé concrètement en 2000 avec la création de circuits biologiques de synthèse (en particulier, un interrupteur à bascule Et un oscillateur ) qui a rendu de plus en plus possible de programmer les cellules pour produire les composés souhaités ou réagir intelligemment dans leur environnement.

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La biologie, cependant, n'a pas été le plus coopératif des collaborateurs. Un facteur limitant est le nombre de modifications que vous pouvez apporter à une cellule sans détruire sa viabilité. La cellule a ses propres intérêts, explique McMillen, dont le laboratoire développe un système à base de levure qui détecte les anticorps antipaludiques dans les échantillons de sang et un système similaire pour le covid. Lorsque vous insérez des composants conçus par l'homme dans un système biologique, dit-il, vous vous battez contre la sélection naturelle et l'entropie, qui sont deux des plus grands en termes de forces de la nature.

Si une cellule est surchargée avec trop de bidules, par exemple, il y a un risque d'interférence et de diaphonie, ce qui entrave les performances et limite les capacités du système. Avec les solveurs de labyrinthe informatiques, dit Bagh, l'algorithme aurait pu être programmé dans un seul type de E. coli cellule. Mais le système fonctionnait mieux lorsque les fonctions de circuit nécessaires étaient réparties entre six types de cellules.

Il existe une limite physique au nombre de parties génétiques pouvant être utilisées dans une seule cellule, explique Karen Polizzi, ingénieur chimiste à l'Imperial College de Londres, qui développe des biocapteurs cellulaires pour surveiller la fabrication de protéines thérapeutiques et de vaccins. Cela limite la sophistication des concepts informatiques qui peuvent être développés.

L'informatique distribuée pourrait en fait être un moyen d'atteindre certains des objectifs les plus ambitieux [de la biologie synthétique], ajoute-t-elle. Parce qu'il n'y a aucun moyen de faire en sorte qu'une cellule accomplisse complètement une tâche complexe par elle-même.

Suprématie cellulaire

Chris Voigt, biologiste synthétique au MIT (et rédacteur en chef de ACS Biologie Synthétique, qui a publié le résultat de Bagh), estime informatique distribuée est la direction dans laquelle la biologie synthétique doit aller.

De l'avis de Voigt, les grandes ambitions pour les cellules microbiennes sont justifiées - et il a effectué des calculs pour étayer cela. Une cuillère à café de bactéries contient plus de portes logiques que, je pense, 2 milliards de processeurs Xeon, dit-il. Et il a plus de mémoire dans l'ADN que l'ensemble d'Internet. La biologie a une capacité de calcul incroyable, et elle le fait en la répartissant sur un nombre énorme de cellules. Mais il y a des mises en garde : une porte prend 20 minutes à traiter, donc c'est très lent.

L'année dernière, Voigt et ses collaborateurs ont réussi à programmer l'ADN avec l'algorithme d'un calculateur et à générer un affichage numérique avec fluorescent E. coli . Ils ont utilisé un logiciel créé par le laboratoire de Voigt, appelé Cello. Cello prend des fichiers de Verilog, un langage de programmation utilisé pour décrire et modéliser des circuits, et les convertit en ADN, de sorte que les mêmes types de configurations peuvent être exécutés dans des cellules. Tous les circuits pour le E. coli Cependant, la calculatrice était entassée dans un seul type de cellule, une seule colonie. Nous avons en quelque sorte atteint la limite à ce sujet, admet-il. Nous devons trouver comment faire des conceptions plus grandes.

Même si les chercheurs voulaient exécuter quelque chose d'aussi bas fi selon les normes actuelles que les systèmes de guidage d'Apollo 11 dans les bactéries, dit Voigt, cela ne pourrait pas être fait dans une seule cellule d'ingénierie. La capacité est là, dit-il. Nous avons juste besoin de moyens de décomposer l'algorithme entre les cellules, puis de relier les cellules pour partager efficacement les informations afin qu'elles puissent effectuer collectivement le calcul.

En effet, Voigt se demande si imiter directement l'informatique électronique traditionnelle est la meilleure approche pour exploiter la puissance de calcul de la biologie et résoudre des problèmes biologiques complexes.

Dans sa recherche de la bonne approche, Bagh a également récemment conçu un type de réseau neuronal artificiel architecture pour le matériel bactérien. Et il est intéressé à explorer une approche qui implique la logique floue, dépassant les contraintes du binaire 0 sable un s vers un continuum plus aligné avec le bruit et le désordre des systèmes biologiques vivants.

Le biologiste synthétique Ángel Goñi-Moreno, de l'Université technique de Madrid, pense dans le même sens. Si nous voulons jouer avec la technologie vivante, nous devons respecter les règles des systèmes vivants, dit-il.

Goñi-Moreno imagine rompre avec l'analogie du circuit électronique en capitalisant sur la façon dont les cellules détectent et réagissent et s'adapter à son environnement , utilisant la sélection naturelle elle-même comme un outil pour faire avancer les conceptions informatiques. L'évolution, dit-il, est un processus biologique qui calcule des informations au fil du temps, optimisant les systèmes cellulaires pour accomplir une diversité de tâches.

Goñi-Moreno pense que cette approche pourrait finalement aboutir à ce qu'il appelle suprématie cellulaire . Le terme établit un parallèle délibéré avec la suprématie quantique (maintenant parfois appelée primauté quantique) - le point auquel les ordinateurs quantiques dépassent les capacités de l'informatique conventionnelle dans certains domaines. Selon Goñi-Moreno, les bio-ordinateurs qui ont évolué à un tel point pourraient offrir un savoir-faire supérieur en matière de résolution de problèmes dans des domaines tels que l'amélioration de la production agricole (pensez aux bactéries du sol qui peuvent ajuster les produits chimiques qu'elles fabriquent en fonction des conditions changeantes) et le ciblage de la thérapeutique des maladies.

Ne vous attendez pas E. coli pour aider à surfer sur Internet ou résoudre le problème P vs NP — pour cela, il nous faudra encore de bons ordinateurs à l'ancienne.

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