Forskerne, der skaber et bio-internet af ting

konceptuelt billede af bakterie i en petriskål michael schiffer / unsplash

Forestil dig at designe den perfekte enhed til tingenes internet. Hvilke funktioner skal den have? Til at begynde med skal den kunne kommunikere, både med andre enheder og med sine menneskelige overherrer. Den skal kunne lagre og behandle information. Og den skal overvåge sit miljø med en række sensorer. Endelig skal den have en form for indbygget motor.

Der er ingen mangel på enheder, der har mange af disse funktioner. De fleste er baseret på bredt tilgængelige, billige enheder såsom Raspberry Pis, Arduino boards og lignende.

Men et andet sæt maskiner med lignende funktioner er meget mere rigeligt, siger Raphael Kim og Stefan Poslad ved Queen Mary University of London i Storbritannien. De påpeger, at bakterier kommunikerer effektivt og har indbyggede motorer og sensorer samt en kraftfuld informationslagring og -behandlingsarkitektur.

Og det rejser en interessant mulighed, siger de. Hvorfor ikke bruge bakterier til at skabe en biologisk version af tingenes internet? I dag, i en opfordring til handling, fremlægger de nogle af de tanker og teknologier, der kunne gøre dette muligt.

Den måde, bakterier opbevarer og behandler information på, er et spirende forskningsområde, og meget af det fokuserer på den bakterielle arbejdshest Escherichia coli . Disse (og andre) bakterier lagrer information i ringformede DNA-strukturer kaldet plasmider, som de overfører fra en organisme til den næste i en proces kaldet konjugation.

Sidste år byggede Federico Tavella ved universitetet i Padua i Italien og sine kolleger et kredsløb, hvor en slags ubevægelig E coli transmitterede en simpel Hello world-meddelelse til en bevægelig stamme, som førte informationen til et andet sted.

Denne form for informationsoverførsel sker hele tiden i bakterieverdenen, hvilket skaber et fantastisk komplekst netværk. Men Tavella og cos proof-of-principle-eksperiment viser, hvordan det kan udnyttes til at skabe en slags bio-internet, siger Kim og Poslad.

E coli lav et perfekt medie til dette netværk. De er bevægelige - de har en indbygget motor i form af bølgende, trådlignende vedhæng kaldet flageller, som genererer stød. De har receptorer i deres cellevægge, som fornemmer aspekter af deres miljø – temperatur, lys, kemikalier osv. De lagrer information i DNA og behandler den ved hjælp af ribosomer. Og de er små, så de kan eksistere i miljøer, som menneskeskabte teknologier har svært ved at få adgang til.

E coli er relativt nemme at manipulere og konstruere også. Græsrodsbevægelsen inden for DIY-biologi gør bioteknologiske værktøjer billigere og lettere tilgængelige. Det Amino Lab , for eksempel, er et genteknologisk kit til skolebørn, der giver dem mulighed for at omprogrammere E coli at lyse i mørket bl.a.

Denne form for biohacking er ved at blive relativt almindelig og viser det bemærkelsesværdige potentiale af et bio-internet af ting. Kim og Poslad fortæller om en lang række muligheder. Bakterier kunne programmeres og udplaceres i forskellige omgivelser, såsom havet og 'smarte byer', til at mærke for toksiner og forurenende stoffer, indsamle data og gennemføre bioremedieringsprocesser, siger de.

Bakterier kunne endda omprogrammeres til at behandle sygdomme. Bakterierne har for eksempel DNA, der koder for nyttige hormoner, og kan svømme til en valgt destination i menneskekroppen, [og] producere og frigive hormonerne, når de udløses af mikrobens interne sensor, foreslår de.

Selvfølgelig er der forskellige ulemper. Mens genteknologi muliggør alle slags underholdende eksperimenter, giver mørkere muligheder biosikkerhedseksperter søvnløse nætter. Det er ikke svært at forestille sig, at bakterier fungerer som vektorer for f.eks. forskellige grimme sygdomme.

Det er også nemt at miste bakterier. En ting, de ikke har, svarer til GPS. Så det er svært at spore dem. Det kan faktisk være næsten umuligt at spore den information, de sender, når den først er frigivet i naturen.

Og deri ligger et af problemerne med et biologisk internet af ting. Det konventionelle internet er en måde at starte med en besked på et punkt i rummet og genskabe den på et andet punkt valgt af afsenderen. Det giver mennesker, og i stigende grad enheder, mulighed for at kommunikere med hinanden på tværs af planeten.

Kim og Poslads bio-internet tilbyder på den anden side en måde at skabe og frigive et budskab på, men kun lidt i vejen for at kontrollere, hvor det ender. Bionetværket skabt af bakteriel konjugation er så forbløffende stort, at information kan spredes mere eller mindre hvor som helst. Biologer har observeret processen med konjugation, der overfører genetisk materiale fra bakterier til gær, til planter og endda til pattedyrsceller.

Evolution spiller også en rolle. Alt levende er underlagt dets kræfter. Uanset hvor godartet en bakterie kan virke, kan evolutionsprocessen skabe kaos via mutation og selektion, med udfald, der er umulige at forudsige.

Så er der problemet med dårlige skuespillere, der påvirker dette netværk. Det konventionelle internet har tiltrukket mere end sin rimelige andel af individer, der frigiver malware til ondsindede formål. Den interesse, de kan have i et biologisk internet af ting, er mareridt.

Kim og Poslad anerkender nogle af disse problemer og siger, at skabelsen af ​​et bakteriebaseret netværk giver nye etiske spørgsmål. Sådanne udfordringer tilbyder et rigt område for diskussion om den bredere implikation af bakteriedrevne Internet of Things-systemer, konkluderer de med en vis underdrivelse.

Det er en diskussion, der er værd at tage før end senere.

Ref: arxiv.org/abs/1910.01974 : The Thing with E. coli: Fremhævelse af muligheder og udfordringer ved at integrere bakterier i IoT og HCI

skjule