Gli scienziati dell'Istituto di scienza e tecnologia austriaco (IST Austria) sono riusciti a controllare il comportamento dei singoli batteri collegandoli a un computer. Il team interdisciplinare che comprende il biologo sperimentale Remy Chait e il matematico Jakob Ruess (ora presso l'Institut Pasteur e Inria Saclay in Francia), così come i professori Calin Guet e Gasper Tkacik, ha usato la configurazione per costruire un circuito genetico che è in parte vivente e in parte digitale. Nella dimostrazione sperimentale del concetto, hanno fatto oscillare l'espressione genica nei batteri, e controllava i modelli di oscillazione regolando la comunicazione digitale tra i singoli batteri. Una potenziale applicazione di tale tecnologia ibrida bio-digitale potrebbe rendere possibile il "debug" di sistemi biologici complessi nello stesso modo in cui si esegue il debug di codici informatici complessi:testando ogni parte individualmente simulando l'ambiente circostante in una forma di realtà virtuale.

Quando i biologi sintetici vogliono progettare un microrganismo in grado di svolgere un determinato compito come parte del suo ciclo metabolico, come produrre un farmaco antitumorale o un antibiotico, di solito devono apportare un numero significativo di modifiche all'organismo originale. Ciascuno di questi cambiamenti ha diversi effetti che potrebbero interferire con gli effetti di tutti gli altri cambiamenti, alterando il risultato finale. "Anche se capisci cosa fanno le diverse parti, non sai cosa succede quando li metti insieme, " spiega Remy Chait. "C'è un feedback tra di loro che rende imprevedibile il comportamento dell'intero circuito".

Una potenziale soluzione a questo problema deriva dallo sviluppo del software e viene chiamata test di unità e integrazione. In questo approccio, ogni componente viene testato singolarmente e viene studiata la sua interazione con l'ambiente circostante. Il modo migliore per farlo è simulare l'ambiente circostante in uno spazio virtuale e lasciare che il componente interagisca con questo mondo virtuale. È questo metodo che i ricercatori ora propongono di applicare anche ai sistemi biologici.

"I sistemi biologici sono complessi, e trarremmo vantaggio se potessimo eseguirne il debug come un codice di computer. Nei test di unità e integrazione, si simula l'ambiente e si collega ciascuno dei componenti separatamente per verificare che funzionino come previsto. Quindi li unisci a coppie e ricomincia tutto da capo. In questo modo, vedrai a che punto feedback e interferenze iniziano a disturbare il sistema, e regolarlo in modo appropriato, " dice Remy Chait. Ripetendo questo metodo, la parte virtuale potrebbe essere ridotta costantemente fino a quando il sistema non sarà di nuovo completamente biologico, e ha la funzione desiderata.

I ricercatori hanno dimostrato la fattibilità di ibridi biodigitali con un oscillatore biodigitale. Nella loro configurazione, le cellule di E.coli modificate producono una proteina che emette fluorescenza blu-violetta. Questa luce colorata costituisce l'interfaccia con il lato digitale. Ogni sei minuti, il computer misura quanta luce produce la cellula, e accumula una molecola segnale virtuale in proporzione ad essa. Quando il segnale supera una certa soglia, la produzione della proteina fluorescente da parte della cellula viene disattivata. Questo viene fatto da un proiettore che proietta la luce rossa o verde come segnale "off" o "on" sulle celle sensibili alla luce e quindi collega il componente digitale alle parti viventi del circuito. "Le cellule interagiscono con l'ambiente simulato. Ciò che fanno influenza ciò che fa il computer, e ciò che fa il computer influenza la reazione delle cellule. Se sai Star Trek , avrete sicuramente sentito parlare del ponte ologrammi. Quello che abbiamo costruito è essenzialmente un semplice ponte ologrammi per i geni dei microrganismi".

Quando i ricercatori hanno testato i loro circuiti ibridi, la popolazione di cellule brillava di blu viola e il bagliore oscillava, anche se con variazioni tra i singoli batteri. Ma i ricercatori volevano che i batteri oscillassero in sincronia, così hanno alterato la componente digitale e creato una rete di comunicazione virtuale tra i batteri. In questo allestimento, parte del segnale virtuale è distribuito tra i vicini e il gruppo di batteri mostra diversi tipi di oscillazione collettiva.

Una diversa applicazione della piattaforma del ricercatore è il controllo del feedback delle singole cellule che le guida lungo traiettorie prestabilite di espressione genica fluorescente. In questo modo, potrebbero far tracciare a un gruppo di cellule immagini o lettere nel tempo (vedi illustrazione).