Door communicatiesignalen van verschillende E.coli-kolonies handig op elkaar af te stemmen kun je in principe elke logische schakeling opbouwen die je wilt. Dat laat synthetisch bioloog Christopher Voigt (University of California, San Francisco) zien op de website van Nature.

Voigt en collega’s lieten zich inspireren door het ‘quorum sensing’-mechanisme dat in veel bacteriën standaard ingebouwd zit. Hiermee kan een bacteriekolonie ruwweg bepalen hoe groot ze zelf is, en of er rivaliserende kolonies in de buurt zijn. Het werkt vrij simpel: elke betrokken bacterie scheidt een signaalstof af, en zodra de concentratie van die stof boven een zekere drempelwaarde komt worden bepaalde genen in- of uitgeschakeld.

Voor een logische schakeling moet je een bacterie hebben die die genen aan- of uitzet onder invloed van twee verschillende signaalstoffen tegelijk, en dát is een kwestie van genetische modificatie.

Voigt heeft bijvoorbeeld een E.coli gebouwd die functioneert als NOR-gate. Dat wil zeggen dat hij alleen een outputsignaal geeft als beide inputsignalen nul zijn. Die ‘inputsignalen’ zijn in dit geval arabinose en anhydrotetracycline, de output is geel fluorescent eiwit (YFP) zodat je kunt zien dat het werkt.

De volgende stap is om die YFP-output te vervangen door een stof die weer als input voor een volgende bacterie kan dienen. Bijvoorbeeld N-3-oxododecanoylhomoserinelacton, het gebruikelijke quorum sensing-signaal van E.coli. Die volgende bacterie verbouw je dusdanig dat deze stof één van haar inputsignalen wordt, en zo heb je het begin van een complexe schakeling.

Op vergelijkbare wijze kun je bacteriën verbouwen tot een OR-gate, die een output geeft als minstens één van de twee inputsignalen aanwezig is. Ook kun je een ‘buffer gate’ creëren die de signalen van twee of meer andere bacteriën simpelweg optelt.

In de publicatie laten Voigt en collega’s zien dat je op basis van deze schakelelementen élke mogelijke Booleaanse gate kunt opbouwen. De ingewikkeldste zijn XOR en EQUAL (output als beide ingangssignalen ongelijk, respectievelijk gelijk aan elkaar zijn): voor elk van die twee heb je drie verschillende NOR-gates en één buffer nodig.

In de praktijk werk je niet met losse bacteriën, maar met kolonies van identieke exemplaren in een petrischaaltje. De publicatie laat zien dat de kolonies ruwweg net zo worden gearrangeerd als ze op het Booleaanse schakelschema staan, waarbij de signaalstoffen via de voedingsbodem vanzelf van de ene naar de andere kolonie diffunderen.

In een tweede publicatie die tegelijk door Nature online is gezet, laten Spaanse onderzoekers overigens zien dat je met gemodificeerde gistcellen ook zoiets kunt doen. De impact van dat onderzoek zal echter wel beperkt blijven: de auteurs bescrhijven hun werk veel meer vanuit een biologisch perspectief, met als gevolg dat ict-specialisten er een stuk minder van zullen snappen.

bron: Nature, UCSF