Computing within bacteria: Programming of bacterial behavior by means of a plasmid encoding a perceptron neural network

Abstract

In nature, bacteria exhibit a limited repertoire of behaviors in response to environmental changes. Synthetic biology has now opened up the possibility of programming cells or unicellular organisms in order to enable them to perform certain tasks, which would allow the programming of ’intelligent’ bacteria. Many of the theoretical ideas that Liberman proposed last century, for example his seminal idea that a cell is a computer, are now being put into practice with bacterial colonies in both wet and in silico experiments. These bacteria may one day be used to solve a wide range of problems whose solution requires their adaptation to external changes either within a bioreactor, organ or tissue of a patient or through the design of microbial-synthetic consortia oriented to their use in bioprocesses to produce medicines, biofuels or biomaterials. In this work, we show the possibility of programming synthetic bacteria with a previously trained perceptron neural network. First, we illustrate how a colony of bacteria endowed with a perceptron is able to solve an optimization problem in silico. Secondly, we study by means of in silico simulations how a perceptron can be applied to program behaviors in bacteria leading to social interactions and to the formation of complex communities that in the future would be useful in biotechnology. Finally, we go a step further, and study how the above perceptron designed to program bacterial behavior is implemented in a genetic circuit designed for this purpose. Once the genetic circuit was obtained, it was engineered into a plasmid.En la naturaleza, las bacterias muestran un repertorio limitado de comportamientos en respuesta a los cambios ambientales. La biología sintética ha abierto ahora la posibilidad de programar células u organismos unicelulares para que puedan realizar determinadas tareas, lo que permitiría programar "bacterias inteligentes". Estas bacterias podrán ser utilizadas algún día para resolver una amplia gama de problemas ya sea dentro de un biorreactor, el órgano o tejido de un paciente o mediante el diseño de consorcios microbianos-sintéticos orientados a su uso en bioprocesos para producir medicamentos, biocombustibles o biomateriales. En este trabajo, mostramos como un organismo "sin cerebro", las bacterias, pueden ser convertidos en seres inteligentes, introduciéndose una técnica con la que es posible dotar a las bacterias con un circuito neuronal perceptrón previamente entrenado. En primer lugar, mostramos cómo una colonia de bacterias dotada de un perceptrón es capaz de resolver un problema de optimización in silico. En segundo lugar, estudiamos también mediante experimentos de simulación, cómo una colonia de bacterías "inteligentes" forma colonias o comunidades complejas exhibiendo las bacterias interacciones sociales. Creemos que estas sociedades complejas formadas por bacterias inteligentes, al estar dotadas de un circuito genético que emula a un circuito neuronal, serán de utilidad práctica en el futuro para resolver problemas del mundo real. Por último, damos un paso más, y estudiamos cómo el perceptrón anterior - diseñado como un circuito genético con el que programar comportamientos bacterianos - puede ser insertado en un plásmido (https://doi.org/10.6084/m9.figshare.14399141.v4 Añadir un título al proyecto de Citavi utilizando este DOI) con el que sería posible transformar bacterias en organismos unicelulares inteligentes. Una de las aportaciones del trabajo es mostrar la equivalencia entre una red neuronal y un circuito genético, diseñándose el plásmido con CELLO (http://cellocad.org), una herramienta del MIT.