Dit is hoe genetisch gemanipuleerde bacterieën robots een brein kunnen geven

Beeld je een toekomst in waarin robots met organische hersenen bestuurd kunnen worden via een microbioom. Als het aan een aantal onderzoekers van Virginia Tech ligt, zou dit wel eens realiteit kunnen worden.

In een onderzoek dat vandaag in het Scientific Reports verscheen, beschrijven Keith C. Heyde en Warren Ruder een wiskundig model om te demonstreren hoe een microbioom van een gemanipuleerde bactrie (E. coli) zou kunnen worden gebruikt om een robot te besturen. Om dit te voor elkaar te krijgen voegde Ruder een E. coli microbioom, een microfluïdische chemostaat (die de reacties van de bacterieën meten) en eenvoudige mobiele robots samen in een virtuele simulatie.

"De robot is een 'host' voor de bacterieën," vertelde Rude mij via Skype. "Om dit model te bouwen hebben we een aantal wiskundige vergelijkingen en relaties tussen componenten gesimuleerd op de computer. Op deze manier konden we zien wat er zou gebeuren wanneer je deze componenten bij elkaar zou voegen."

Ruder legde uit dat cellen in een microfluïdische chemostaat zo gemanipuleerd kunnen worden dat ze een bepaald fluoriserend licht of eiwit afgeven. Hij vertelde dat deze signalen opgepikt kunnen worden door microscopen binnen de microfluïdische chemostaat en weer doorgestuurd kunnen worden naar de robot, waardoor deze bijvoorbeeld in een bepaalde richting kan lopen.

Toen de onderzoekers het gedrag van de robots in hun virtuele simulator testten, zagen zij dat het gedrag verbeterde wanneer de robot signalen terug kon sturen naar de bacterie.

"We constateerden een complexer gedrag van de robot wanneer deze aan verschillende voedselbronnen werd blootgesteld. De robot pauzeerde even totdat de proteïne levels van de bacterieën minder werden, om vervolgens recht op de voedselbron af te gaan," legde Ruder uit. "Je moet het een beetje zien als een leeuw die een gazelle langzaam volgt en vervolgens keihard toeslaat."

Volgens Ruder kunnen er dus complexe gedragingen gecreëerd worden door eenvoudige wiskundige modellen.

Onderzoeken in de synthetische biologie maken de laatste jaren exponentiële vooruitgang. Ruder voorziet dat bacteriële robotsystemen straks kunnen worden gebruikt om de interacties tussen bodembacteriën en vee te onderzoeken. Hij denkt ook dat gemanipuleerde bacteriën zouden kunnen helpen bij het opruimen van olielekken. Ruder erkent dat het controleren van biologisch gemanipuleerde organismen in het wild te moeilijkste taak zal worden binnen de synthetische biologie.

"Mensen praten over het introduceren van genetisch gemanipuleerde bacteriën in het milieu. Deze zouden voor allerlei doeleinden ingezet kunnen worden, zoals het opsporen van giftige gassen. Maar het is lastig om deze bacteriën naderhand weer uit het milieu te halen, zodra de doelen zijn bereikt."

Ruder stelt voor dat de robot gebruikt kan worden als een soort capsule om de bacterie in vast te houden, zodat deze nooit echt vrijkomt in de natuur.

"Stel je voor dat we bacteriën kweken met unieke kwaliteiten en deze in robots plaatsen. Deze robots sturen we dan naar de plekken waar we de bacteriën nodig denken te hebben. Zodra zij hun werk hebben gedaan, kunnen we gewoon de stekkers uit de robots trekken om te voorkomen dat de bacteriën zich niet verder verspreiden in de omgeving."

Momenteel is er maar één robot, één bacterie en één chemostaat in de virtuele simulatie van de onderzoekers. Ruder zei dat hij een virtuele omgeving wilt creëren waar hij verschillende robots met elkaar laat strijden om wie een microbioom zal krijgen. Hij schetste hierbij een soort "survival of the fittest" scenario.

"Als je verschillende robots loslaat in de natuur zullen ze elkaar ongetwijfeld tegenkomen. Net als in de natuur overleven de sterkste, dus een robot die zich snel voort kan bewegen kan ook sneller een microbioom overdragen aan andere robots," zei Ruder. "Dit paringsgedrag zal tot nog complexere gedragingen van de robots kunnen leiden."