Des scientifiques de l'Institut des sciences et technologies d'Autriche (IST Austria) ont réussi à contrôler le comportement de bactéries individuelles en les connectant à un ordinateur. L'équipe interdisciplinaire comprenant le biologiste expérimental Remy Chait et le mathématicien Jakob Ruess (maintenant à l'Institut Pasteur et Inria Saclay en France), ainsi que les professeurs Calin Guet et Gasper Tkacik, utilisé la configuration pour construire un circuit génétique qui est en partie vivant et en partie numérique. Dans la preuve de concept expérimentale, ils ont fait osciller l'expression des gènes chez les bactéries, et contrôlé les modèles d'oscillation en ajustant la communication numérique entre les bactéries individuelles. Une application potentielle d'une telle technologie hybride bio-numérique pourrait permettre de « déboguer » des systèmes biologiques complexes de la même manière que des codes informatiques complexes sont débogués :en testant chaque partie individuellement tout en simulant son environnement sous une forme de réalité virtuelle.

Lorsque les biologistes synthétiques veulent concevoir un micro-organisme capable de remplir une certaine tâche dans le cadre de son cycle métabolique, comme la production d'un médicament anticancéreux ou d'un antibiotique, ils doivent généralement apporter un nombre important de modifications à l'organisme d'origine. Chacun de ces changements a plusieurs effets qui pourraient interférer avec les effets de tous les autres changements, modifier le résultat final. "Même si vous comprenez ce que font les différentes parties, vous ne savez pas ce qui se passe quand vous les assemblez, " explique Rémy Chait. " Il y a un retour entre eux qui rend le comportement du circuit complet imprévisible. "

Une solution potentielle à ce problème provient du développement de logiciels et est appelée tests unitaires et d'intégration. Dans cette approche, chaque composant est testé individuellement et son interaction avec l'environnement est étudiée. La meilleure façon de le faire est de simuler l'environnement dans un espace virtuel et de laisser le composant interagir avec ce monde virtuel. C'est cette méthode que les chercheurs proposent désormais d'appliquer également aux systèmes biologiques.

« Les systèmes biologiques sont complexes, et nous gagnerions à les déboguer comme un code informatique. Dans les tests unitaires et d'intégration, vous simulez l'environnement et branchez chacun des composants séparément pour vérifier qu'ils fonctionnent comme prévu. Ensuite, vous les combinez par paires et recommencez. De cette façon, vous verrez à quel point les retours et interférences commencent à perturber le système, et ajustez-le en conséquence, " dit Rémy Chait. En itérant cette méthode, la partie virtuelle pourrait être progressivement réduite jusqu'à ce que le système soit à nouveau entièrement biologique, et a la fonction désirée.

Les chercheurs ont démontré la faisabilité d'hybrides bio-numériques avec un oscillateur bio-numérique. Dans leur configuration, les cellules E. coli modifiées produisent une protéine qui émet une fluorescence bleu-violet. Cette lumière colorée forme l'interface avec le côté numérique. Toutes les six minutes, l'ordinateur mesure la quantité de lumière produite par la cellule, et accumule une molécule signal virtuelle proportionnellement à celle-ci. Lorsque le signal dépasse un certain seuil, la production de la protéine fluorescente par la cellule est arrêtée. Ceci est réalisé par un projecteur qui projette une lumière rouge ou verte en tant que signal "off" ou "on" sur les cellules photosensibles et relie ainsi le composant numérique aux parties vivantes du circuit. "Les cellules interagissent avec l'environnement simulé. Ce qu'elles font influence ce que fait l'ordinateur, et ce que fait l'ordinateur influence la réaction des cellules. Si tu sais Star Trek , vous avez certainement entendu parler de l'Holodeck. Ce que nous avons construit est essentiellement un simple Holodeck pour les gènes des micro-organismes."

Lorsque les chercheurs ont testé leurs circuits hybrides, la population de cellules brillait en bleu violet et la lueur oscillait, mais avec des variations entre les bactéries individuelles. Mais les chercheurs voulaient que les bactéries oscillent en synchronie, ils ont donc modifié le composant numérique et mis en place un réseau de communication virtuel entre les bactéries. Dans cette configuration, une partie du signal virtuel est distribuée entre voisins et le groupe de bactéries affiche différents types d'oscillation collective.

Une autre application de la plate-forme du chercheur est le contrôle par rétroaction des cellules individuelles qui les guide le long de trajectoires prédéfinies d'expression de gènes fluorescents. De cette façon, ils pourraient faire en sorte qu'un groupe de cellules trace des images ou des lettres au fil du temps (voir l'illustration).