Reunindo conceitos de engenharia elétrica e ferramentas de bioengenharia, os cientistas do Technion e do MIT colaboraram para produzir células projetadas para computar funções sofisticadas – “biocomputadores” de tipos. Alunos de pós-graduação e pesquisadores do Technion – Instituto de Tecnologia de Israel O Laboratório do Professor Ramez Daniel para Biologia Sintética e Bioeletrônica trabalhou em conjunto com o Professor Ron Weiss do Instituto de Tecnologia de Massachusetts para criar “dispositivos” genéticos projetados para realizar cálculos como circuitos neurais artificiais. Seus resultados foram recentemente publicados em Natureza Comunicações.
O material genético foi inserido na célula bacteriana na forma de um plasmídeo: uma molécula de DNA relativamente curta que permanece separada do genoma “natural” da bactéria. Os plasmídeos também existem na natureza e desempenham várias funções. O grupo de pesquisa projetou a sequência genética do plasmídeo para funcionar como um computador simples, ou mais especificamente, uma rede neural artificial simples. Isso foi feito por meio de vários genes no plasmídeo regulando a ativação e desativação uns dos outros de acordo com estímulos externos.
O que significa que uma célula é um circuito? Como um computador pode ser biológico?
Em seu nível mais básico, um computador consiste em 0s e 1s, em interruptores. As operações são realizadas nesses interruptores: somando-os, escolhendo o valor máximo ou mínimo entre eles, etc. Operações mais avançadas dependem das básicas, permitindo que um computador jogue xadrez ou lance um foguete para a lua.
Nos computadores eletrônicos que conhecemos, as chaves 0/1 assumem a forma de transistores. Mas nossas células também são computadores, de um tipo diferente. Lá, a presença ou ausência de uma molécula pode atuar como um interruptor. Os genes ativam, desencadeiam ou suprimem outros genes, formando, modificando ou removendo moléculas. A biologia sintética visa (entre outros objetivos) aproveitar esses processos, sintetizar os interruptores e programar os genes que fariam uma célula bacteriana realizar tarefas complexas. As células são naturalmente equipadas para detectar substâncias químicas e produzir moléculas orgânicas. Ser capaz de “informatizar” esses processos dentro da célula pode ter grandes implicações para a biofabricação e ter múltiplas aplicações médicas.
Os alunos de doutorado (agora doutores) Luna Rizik e Loai Danial, juntamente com o Dr. Mouna Habib, sob a orientação do Prof. Ramez Daniel da Faculdade de Engenharia Biomédica do Technion, e em colaboração com o Prof. Ron Weiss do O Synthetic Biology Center, MIT, foi inspirado em como as redes neurais artificiais funcionam. Eles criaram circuitos de computação sintéticos combinando “partes” genéticas existentes, ou genes manipulados, de novas maneiras, e implementaram conceitos da eletrônica neuromórfica em células bacterianas. O resultado foi a criação de células bacterianas que podem ser treinadas usando algoritmos de inteligência artificial.
O grupo foi capaz de criar células bacterianas flexíveis que podem ser reprogramadas dinamicamente para alternar entre relatar se pelo menos um dos produtos químicos de teste, ou dois, estão presentes (ou seja, as células foram capazes de alternar entre executar as funções OR e AND ). Células que podem mudar sua programação dinamicamente são capazes de realizar diferentes operações sob diferentes condições. (De fato, nossas células fazem isso naturalmente.) Ser capaz de criar e controlar esse processo abre caminho para uma programação mais complexa, tornando as células projetadas adequadas para tarefas mais avançadas. Os algoritmos de Inteligência Artificial permitiram que os cientistas produzissem as modificações genéticas necessárias nas células bacterianas com tempo e custo significativamente reduzidos.
Indo além, o grupo fez uso de outra propriedade natural das células vivas: elas são capazes de responder a gradientes. Usando algoritmos de inteligência artificial, o grupo conseguiu aproveitar essa habilidade natural para fazer um conversor analógico-digital – uma célula capaz de relatar se a concentração de uma determinada molécula é “baixa”, “média” ou “alta”. Esse sensor pode ser usado para fornecer a dosagem correta de medicamentos, incluindo imunoterapia contra o câncer e medicamentos para diabetes.
Dos pesquisadores que trabalham neste estudo, o Dr. Luna Rizik e o Dr. Mouna Habib são do Departamento de Engenharia Biomédica, enquanto o Dr. Loai Danial é da Faculdade de Engenharia Elétrica Andrew e Erna Viterbi. É a união das duas áreas que permitiu ao grupo avançar no campo da biologia sintética.
Este trabalho foi parcialmente financiado pela Neubauer Family Foundation, a Israel Science Foundation (ISF), o Programa de Pesquisa e Inovação Horizon 2020 da União Europeia, o Centro interdisciplinar Lorry I. Lokey da Technion para Ciências da Vida e Engenharia e a Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa.