Forskarna som skapar ett bio-internet av saker

konceptuell bild av bakterie i en petriskål michael schiffer / unsplash

Föreställ dig att designa den perfekta enheten för sakernas internet. Vilka funktioner måste den ha? Till att börja med måste den kunna kommunicera, både med andra enheter och med sina mänskliga överherrar. Den måste kunna lagra och bearbeta information. Och den måste övervaka sin miljö med en rad sensorer. Slutligen kommer den att behöva någon form av inbyggd motor.

Det finns ingen brist på enheter som har många av dessa funktioner. De flesta är baserade på allmänt tillgängliga, billiga enheter som Raspberry Pis, Arduino-brädor och liknande.

Men en annan uppsättning maskiner med liknande funktioner är mycket rikligare, säger Raphael Kim och Stefan Poslad vid Queen Mary University of London i Storbritannien. De påpekar att bakterier kommunicerar effektivt och har inbyggda motorer och sensorer, samt kraftfull informationslagring och bearbetningsarkitektur.

Och det väcker en intressant möjlighet, säger de. Varför inte använda bakterier för att skapa en biologisk version av internet of things? I dag, i en uppmaning till handling, presenterar de en del av tänket och de teknologier som skulle kunna göra detta möjligt.

Sättet bakterier lagrar och bearbetar information är ett framväxande forskningsområde, mycket av det fokuserar på den bakteriella arbetshästen Escherichia coli . Dessa (och andra) bakterier lagrar information i ringformade DNA-strukturer som kallas plasmider, som de överför från en organism till nästa i en process som kallas konjugering.

Förra året byggde Federico Tavella vid universitetet i Padua i Italien och kollegor en krets där en stam av orörlig E coli överförde ett enkelt Hello world-meddelande till en rörlig stam, som förde informationen till en annan plats.

Denna typ av informationsöverföring sker hela tiden i bakterievärlden, vilket skapar ett fantastiskt komplext nätverk. Men Tavella och cos proof-of-principe-experiment visar hur det kan utnyttjas för att skapa ett slags bio-internet, säger Kim och Poslad.

E coli göra ett perfekt medium för detta nätverk. De är rörliga – de har en inbyggd motor i form av vågiga, trådliknande bihang som kallas flageller, som genererar dragkraft. De har receptorer i sina cellväggar som känner av aspekter av sin miljö – temperatur, ljus, kemikalier, etc. De lagrar information i DNA och bearbetar den med ribosomer. Och de är små, vilket gör att de kan existera i miljöer som mänskligt skapade teknologier har svårt att komma åt.

E coli är relativt lätta att manipulera och konstruera också. Gräsrotsrörelsen inom DIY-biologi gör biotekniska verktyg billigare och mer lättillgängliga. De Amino Lab , till exempel, är ett genteknikkit för skolbarn som gör att de kan programmera om E coli att bl.a ​​lysa i mörkret.

Den här typen av biohacking börjar bli relativt vanlig och visar på den anmärkningsvärda potentialen hos ett bio-internet av saker. Kim och Poslad pratar om en lång rad möjligheter. Bakterier kan programmeras och distribueras i olika omgivningar, såsom havet och 'smarta städer', för att känna efter gifter och föroreningar, samla in data och genomföra biosaneringsprocesser, säger de.

Bakterier kan till och med omprogrammeras för att behandla sjukdomar. Med DNA som kodar för användbara hormoner, till exempel, kan bakterierna simma till en vald destination i människokroppen, [och] producera och släppa hormonerna när de utlöses av mikrobens interna sensor, föreslår de.

Naturligtvis finns det olika nackdelar. Medan genteknik möjliggör alla typer av underhållande experiment, ger mörkare möjligheter biosäkerhetsexperter sömnlösa nätter. Det är inte svårt att föreställa sig att bakterier fungerar som vektorer för till exempel olika otäcka sjukdomar.

Det är också lätt att tappa bakterier. En sak de inte har är motsvarigheten till GPS. Så det är svårt att spåra dem. Det kan faktiskt vara nästan omöjligt att spåra informationen de sänder när den väl släpps ut i naturen.

Och däri ligger ett av problemen med ett biologiskt internet av saker. Det konventionella internet är ett sätt att börja med ett meddelande vid en punkt i rymden och återskapa det vid en annan punkt vald av avsändaren. Det tillåter människor, och allt fler enheter, att kommunicera med varandra över hela planeten.

Kim och Poslads bio-internet, å andra sidan, erbjuder ett sätt att skapa och släppa ett meddelande men lite i vägen för att kontrollera var det hamnar. Bionätverket som skapas av bakteriell konjugering är så förbluffande stort att information kan spridas mer eller mindre var som helst. Biologer har observerat processen med konjugation som överför genetiskt material från bakterier till jäst, till växter och till och med till däggdjursceller.

Evolution spelar också en roll. Allt levande är föremål för dess krafter. Oavsett hur godartad en bakterie kan verka kan evolutionsprocessen orsaka förödelse via mutation och urval, med utfall som är omöjliga att förutsäga.

Sedan finns det problemet med dåliga aktörer som påverkar detta nätverk. Det konventionella internet har lockat till sig mer än sin beskärda andel av individer som släpper skadlig programvara för skändliga syften. Intresset de kan ha för ett biologiskt internet av saker är mardrömmar.

Kim och Poslad erkänner några av dessa problem och säger att skapande av ett bakteriebaserat nätverk presenterar nya etiska frågor. Sådana utmaningar erbjuder ett rikt område för diskussion om den bredare implikationen av bakteriedrivna Internet of Things-system, avslutar de med en viss underdrift.

Det är en diskussion värd förr snarare än senare.

Ref: arxiv.org/abs/1910.01974 : The Thing with E. coli: Highlighting Opportunities and Challenges of Integrating Bacteria in IoT and HCI

Dölj