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

E. coli se développe dans nos entrailles, parfois avec des effets malheureux, et facilite les avancées scientifiques – dans l’ADN, les biocarburants et le vaccin contre le covid de Pfizer, pour n’en nommer 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 répartissant les calculs nécessaires entre différents types de cellules génétiquement modifiées.

Cette prouesse fait honneur à la biologie synthétique, qui vise à mettre en place des circuits biologiques tout comme les circuits électroniques et à programmer des cellules aussi facilement que des ordinateurs.

L’expérience du labyrinthe 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. En travaillant de concert, ces microbes modifiés pourraient être capables de « calculer » et de résoudre des problèmes davantage comme des réseaux multicellulaires à l’état sauvage.

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 écrasante en utilisant la biologie », explique Pamela Silver, biologiste synthétique à Harvard.

L’étude avec E. coli en tant que solveurs de labyrinthe, dirigé par le biophysicien Sangram Bagh à l’Institut de physique nucléaire Saha à Kolkata, est un problème de « jouet » simple et amusant. Mais il 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 dans l’espace.

« Alors que nous nous dirigeons vers la résolution de problèmes plus complexes avec des systèmes biologiques artificiels, répartir la charge comme celle-ci sera une capacité importante à établir », déclare David McMillen, bioingénieur à l’Université de Toronto.

Comment construire un labyrinthe bactérien

Obtenir E. coli pour résoudre le problème du labyrinthe, il fallait faire preuve d’ingéniosité. La bactérie n’a pas erré dans un labyrinthe de palais 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 un chemin ouvert ou bloqué, donnant 16 labyrinthes possibles.

Bagh et ses collègues ont mathématiquement traduit ce problème en une table de vérité composée de 1sable 0s, 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’un carré particulier est ouvert ou bloqué 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 se sont allumés et les bactéries ont exprimé 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.

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

KATHAKALI SARKAR ET SANGRAM BAGH

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 solubles. «Calculer cela avec une équation mathématique n’est pas simple», dit-il. « Avec cette expérience, vous pouvez le visualiser très simplement. »

Objectifs élevés

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 des 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 synthétique date des années 1960, mais le domaine a émergé concrètement en 2000 avec la création de circuits biologiques synthétiques (plus précisément, un interrupteur à bascule et un oscillateur) qui ont permis de plus en plus de programmer les cellules pour produire les composés souhaités ou réagir intelligemment au sein de leurs environnements.