Virtual reality for bakterier

Forskere ved Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) har formået at kontrollere de enkelte bakteriers adfærd ved at forbinde dem til en computer. Det tværfaglige team, herunder eksperimentel biolog Remy Chait og matematiker Jakob Ruess (nu på Institut Pasteur og Inria Saclay i Frankrig), samt professorerne Calin Guet og Gasper Tkacik, brugt opsætningen til at bygge et genetisk kredsløb, der dels er levende og dels digitalt. I det eksperimentelle konceptbevis, de fik genekspression i bakterier til at svinge, og styrede oscillationsmønstrene ved at justere digital kommunikation mellem individuelle bakterier. En potentiel anvendelse af en sådan bio-digital hybridteknologi kunne gøre det muligt at "fejle" komplekse biologiske systemer på samme måde som komplekse computerkoder fejlfindes:ved at teste hver del individuelt, mens dens omgivelser simuleres i en form for virtual reality.

Når syntetiske biologer ønsker at konstruere en mikroorganisme, der kan udføre en bestemt opgave som en del af dens metaboliske cyklus, som at fremstille et kræftlægemiddel eller et antibiotikum, de skal normalt foretage et betydeligt antal ændringer af den oprindelige organisme. Hver af disse ændringer har adskillige virkninger, der kan interferere med virkningerne af alle andre ændringer, ændre det endelige resultat. "Selv hvis du forstår, hvad de forskellige dele gør, du ved ikke hvad der sker når du sætter dem sammen " forklarer Remy Chait. "Der er feedback mellem dem, der gør opførselen af ​​hele kredsløbet uforudsigelig."

En potentiel løsning på dette problem kommer fra softwareudvikling og kaldes enheds- og integrationstest. I denne tilgang hver komponent testes individuelt, og dens interaktion med omgivelserne undersøges. Den bedste måde at gøre dette på er at simulere omgivelserne i et virtuelt rum og lade komponenten interagere med denne virtuelle verden. Det er denne metode, som forskerne nu foreslår også at anvende på biologiske systemer.

"Biologiske systemer er komplekse, og vi ville gavne, hvis vi kunne fejlsøge dem som en computerkode. I enhed og integrationstest, du simulerer miljøet og tilslutter hver af komponenterne separat for at kontrollere, at de fungerer efter hensigten. Derefter kombinerer du dem parvis og starter forfra. På denne måde du vil se, på hvilket tidspunkt feedback og interferens begynder at forstyrre systemet, og justere det korrekt, "siger Remy Chait. Ved at gentage denne metode, den virtuelle del kunne reduceres støt, indtil systemet er fuldt biologisk igen, og har den ønskede funktion.

Forskerne demonstrerede gennemførligheden af ​​bio-digitale hybrider med en bio-digital oscillator. I deres opsætning, modificerede E.coli-celler producerer et protein, der fluorescerer blå-violet. Dette farvede lys danner grænsefladen til den digitale side. Hvert sjette minut, computeren måler, hvor meget lys cellen producerer, og akkumulerer et virtuelt signalmolekyle i forhold til det. Når signalet overstiger en vis tærskel, cellens produktion af det fluorescerende protein afbrydes. Dette gøres ved en projektor, der projicerer rødt eller grønt lys som et "sluk" eller "tændt" signal ind på de lysfølsomme celler og derved forbinder den digitale komponent tilbage til de levende dele af kredsløbet. "Cellerne interagerer med det simulerede miljø. Det, de gør, påvirker, hvad computeren gør, og hvad computeren gør, påvirker cellernes reaktion. Hvis du ved Star Trek , du har helt sikkert hørt om Holodeck. Det, vi har bygget, er i det væsentlige et simpelt Holodeck for gener fra mikroorganismer."

Da forskerne testede deres hybridkredsløb, populationen af ​​celler glødede i blå violet - og gløden svingede, omend med variationer mellem de enkelte bakterier. Men forskerne ønskede, at bakterierne skulle svinge synkront, så de ændrede den digitale komponent og oprettede et virtuelt kommunikationsnetværk mellem bakterierne. I denne opsætning, noget af det virtuelle signal distribueres mellem naboer, og gruppen af ​​bakterier viser forskellige former for kollektiv svingning.

En anden anvendelse af forskerens platform er feedbackkontrol af individuelle celler, der guider dem langs forudspecificerede baner for fluorescerende genekspression. På denne måde de kunne få en gruppe celler til at spore billeder eller bogstaver over tid (se illustration).