Forskerne som skaper et bio-internett av ting

konseptuelt bilde av bakterie i en petriskål michael schiffer / unsplash

Tenk deg å designe den perfekte enheten for tingenes internett. Hvilke funksjoner må den ha? Til å begynne med må den kunne kommunisere, både med andre enheter og med sine menneskelige overherrer. Den skal kunne lagre og behandle informasjon. Og den må overvåke miljøet med en rekke sensorer. Til slutt vil den trenge en slags innebygd motor.

Det er ingen mangel på enheter som har mange av disse funksjonene. De fleste er basert på allment tilgjengelige, rimelige enheter som Raspberry Pis, Arduino-brett og lignende.

Men et annet sett med maskiner med lignende funksjoner er mye mer rikelig, sier Raphael Kim og Stefan Poslad ved Queen Mary University of London i Storbritannia. De påpeker at bakterier kommuniserer effektivt og har innebygde motorer og sensorer, samt kraftig informasjonslagring og prosesseringsarkitektur.

Og det reiser en interessant mulighet, sier de. Hvorfor ikke bruke bakterier til å lage en biologisk versjon av tingenes internett? I dag, i en oppfordring til handling, legger de frem noen av tenkningen og teknologiene som kan gjøre dette mulig.

Måten bakterier lagrer og behandler informasjon på er et fremvoksende forskningsområde, mye av det fokusert på den bakterielle arbeidshesten Escherichia coli . Disse (og andre) bakteriene lagrer informasjon i ringformede DNA-strukturer kalt plasmider, som de overfører fra en organisme til den neste i en prosess som kalles konjugering.

I fjor bygde Federico Tavella ved universitetet i Padua i Italia og sine kolleger en krets der en urørlig stamme E coli overførte en enkel Hello world-melding til en bevegelig stamme, som førte informasjonen til et annet sted.

Denne typen informasjonsoverføring skjer hele tiden i bakterieverdenen, og skaper et fantastisk komplekst nettverk. Men Tavella og cos proof-of-princip-eksperiment viser hvordan det kan utnyttes til å lage et slags bio-internett, sier Kim og Poslad.

E coli lage et perfekt medium for dette nettverket. De er bevegelige - de har en innebygd motor i form av bølgende, trådlignende vedheng kalt flageller, som genererer skyvekraft. De har reseptorer i celleveggene som registrerer aspekter av miljøet – temperatur, lys, kjemikalier osv. De lagrer informasjon i DNA og behandler den ved hjelp av ribosomer. Og de er små, slik at de kan eksistere i miljøer som menneskeskapte teknologier har problemer med å få tilgang til.

E coli er relativt enkle å manipulere og konstruere også. Grasrotbevegelsen til DIY-biologi gjør bioteknologiske verktøy billigere og lettere tilgjengelig. De Amino Lab , for eksempel, er et genteknologisett for skolebarn, som lar dem omprogrammere E coli å lyse i mørket, blant annet.

Denne typen biohacking begynner å bli relativt vanlig og viser det bemerkelsesverdige potensialet til et bio-internett av ting. Kim og Poslad snakker om et bredt spekter av muligheter. Bakterier kan programmeres og distribueres i forskjellige omgivelser, for eksempel havet og 'smarte byer', for å registrere for giftstoffer og forurensende stoffer, samle data og gjennomføre bioremedieringsprosesser, sier de.

Bakterier kan til og med omprogrammeres til å behandle sykdommer. Med DNA som koder for nyttige hormoner, for eksempel, kan bakteriene svømme til en valgt destinasjon i menneskekroppen, [og] produsere og frigjøre hormonene når de utløses av mikrobens interne sensor, foreslår de.

Selvfølgelig er det forskjellige ulemper. Mens genteknologi muliggjør alle slags morsomme eksperimenter, gir mørkere muligheter biosikkerhetseksperter søvnløse netter. Det er ikke vanskelig å forestille seg at bakterier fungerer som vektorer for ulike ekle sykdommer, for eksempel.

Det er også lett å miste bakterier. En ting de ikke har er tilsvarende GPS. Så det er vanskelig å spore dem. Det kan faktisk være nesten umulig å spore informasjonen de overfører når den først er sluppet ut i naturen.

Og der ligger et av problemene med et biologisk internett av ting. Det konvensjonelle internett er en måte å starte med en melding på et punkt i rommet og gjenskape den på et annet punkt valgt av avsenderen. Det lar mennesker, og i økende grad enheter, kommunisere med hverandre over hele planeten.

Kim og Poslads bio-internett, på den annen side, tilbyr en måte å skape og frigjøre en melding, men lite i veien for å kontrollere hvor den ender opp. Bionettverket skapt av bakteriell konjugering er så ufattelig stort at informasjon kan spres mer eller mindre hvor som helst. Biologer har observert prosessen med konjugering som overfører genetisk materiale fra bakterier til gjær, til planter og til og med til pattedyrceller.

Evolusjon spiller også en rolle. Alle levende ting er underlagt dens krefter. Uansett hvor godartet en bakterie kan virke, kan evolusjonsprosessen skape kaos via mutasjon og seleksjon, med utfall som er umulig å forutsi.

Så er det problemet med dårlige aktører som påvirker dette nettverket. Det konvensjonelle internett har tiltrukket seg mer enn sin rettferdige andel av individer som slipper ut skadelig programvare for ondsinnede formål. Interessen de kan ha for et biologisk internett av ting er mareritt.

Kim og Poslad erkjenner noen av disse problemene, og sier at å skape et bakteriebasert nettverk gir nye etiske problemer. Slike utfordringer tilbyr et rikt område for diskusjon om den bredere implikasjonen av bakteriedrevne Internet of Things-systemer, konkluderer de med en viss underdrivelse.

Det er en diskusjon verdt å ha før heller enn senere.

Ref: arxiv.org/abs/1910.01974 : The Thing with E. coli: Fremheving av muligheter og utfordringer ved å integrere bakterier i IoT og HCI

gjemme seg