Légende: Des chercheurs du MIT ont conçu des bactéries capables de fonctionner comme des transistors, ce qui leur permet de créer des « circuits imprimés vivants » comme ceux présentés. Crédits: Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs, édité par MIT News

En reliant entre elles des colonies de ces bactéries, les chercheurs ont construit des circuits capables d’effectuer des calculs complexes.

Des chercheurs du MIT ont conçu des bactéries capables de fonctionner comme des transistors, ce qui permet à l’équipe de créer des « circuits imprimés » vivants qui peuvent être imprimés sur un milieu de culture dans une boîte de Petri. 

Dans les circuits électriques, les transistors fonctionnent comme des interrupteurs qui permettent de couper ou d’activer le courant. Dans les circuits biologiques créés par les chercheurs, des interrupteurs bactériens contrôlent le flux de petites molécules, lesquelles envoient des signaux aux composants situés en aval du circuit. 

L’équipe de recherche a conçu deux transistors différents, ainsi que trois souches bactériennes assurant la transmission d’informations entre ces transistors. Elle dispose ainsi des éléments de base nécessaires à la conception de quasiment n’importe quel type de circuit. Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé ces cellules pour créer des circuits capables d’ajouter deux ou trois entrées, ou d’acheminer une entrée vers un emplacement précis du circuit.

« Nous avons construit certains composants d’architecture informatique initiaux couramment utilisés, mais n’importe quelle opération peut être construite avec ces cinq souches », explique Hamid Doosthosseini, PhD ’25, postdoctorant au MIT et auteur principal de la nouvelle étude. 

Grâce à cette approche, les chercheurs espèrent développer des circuits qui pourraient un jour recouvrir les feuilles ou les racines des plantes, où ils pourraient effectuer des calculs pour détecter et réagir aux conditions environnementales telles que la sécheresse ou les attaques de ravageurs. 

Christopher Voigt, directeur du département de génie biologique du MIT, est l’auteur principal de l’article, récemment publié dans Nature Chemical Biology . Haorong Chen, ancien postdoctorant au MIT, y a également contribué.

Les cellules comme transistors

Lors de la conception de circuits de biologie synthétique, les chercheurs modifient généralement les cellules pour qu’elles expriment des protéines et des facteurs de transcription qui interagissent pour accomplir une tâche telle que la détection d’une molécule cible, ce qui déclenche ensuite la production d’un résultat spécifique.

Ces circuits simples peuvent réaliser diverses fonctions logiques, mais ils doivent utiliser des facteurs de transcription spécifiques pour éviter les interférences. Le nombre de facteurs de transcription utilisables pour ces circuits étant limité, la complexité globale atteignable dans une seule cellule est restreinte. De plus, un trop grand nombre de circuits dans une cellule peut surcharger son système de production de protéines.

Dans leur nouvelle étude, les chercheurs ont adopté une approche différente : au lieu d’intégrer un circuit complet dans une seule cellule, ils ont conçu des cellules pouvant fonctionner comme des transistors. Ces transistors peuvent ensuite être combinés de diverses manières pour créer une variété de circuits.

Pour créer les transistors, les chercheurs ont choisi une bactérie appelée  Pantoea agglomerans , qui se développe couramment sur les surfaces, notamment les plantes. À partir de ces cellules, ils ont fabriqué deux types de transistors activables ou désactivables par une molécule appelée OC-6. L’un des transistors est activé par ce signal, tandis que l’autre est désactivé. Chaque transistor détecte également la présence d’une molécule cible, en l’occurrence OC-12. Selon la présence ou l’absence de cette molécule et l’état d’activation du transistor, ce dernier produit une molécule de sortie appelée OHC-14.

Les chercheurs ont également utilisé trois souches de  Pantoea agglomerans pour créer des relais, qui transforment le signal OHC-14 en un signal de sortie pouvant alimenter un autre transistor. Grâce à ces souches relais, les chercheurs peuvent « connecter » les transistors entre eux, à la manière d’un circuit imprimé.

Par exemple, ils pourraient créer un commutateur bidirectionnel avec deux transistors qui détectent l’OC-12, puis envoyer cette information à différentes souches de relais en fonction d’une entrée de commutateur, alimentant finalement d’autres transistors qui traitent davantage le signal.

Les chercheurs ont créé leurs circuits en imprimant des colonies de bactéries sur des plaques contenant de la gélose, un milieu de culture. Chaque colonie est imprimée à environ 5 millimètres de la plus proche. Ainsi, les signaux ne peuvent se propager que jusqu’à la colonie la plus proche, qui les relaie ensuite à la suivante ; l’information circule donc dans un seul sens.

Les chercheurs ont créé leurs circuits en imprimant des colonies de bactéries sur des plaques contenant de la gélose, un milieu de culture. Ce GIF montre en accéléré la croissance des bactéries sur une période de 7 jours.

Calculs complexes

Dans cet article, les chercheurs ont présenté un transistor capable de réaliser plusieurs opérations logiques selon sa position dans le circuit, notamment des portes logiques à entrées multiples, des portes OU et des portes d’implication. Ils ont également combiné ces transistors pour créer des circuits plus complexes, capables d’additionner deux signaux, de traiter simultanément plusieurs signaux ou de fonctionner comme un démultiplexeur – un circuit qui reçoit un signal entrant et l’achemine vers l’une des destinations possibles, en fonction d’un signal de commande.

Le plus grand de ces circuits, qui additionne deux entrées, contient 24 colonies bactériennes reliées entre elles.

« Ces travaux démontrent qu’il est possible d’obtenir des fonctions plus complexes en reliant des fonctions plus simples au sein de cellules individuelles », explique Voigt. « En termes de puissance de calcul, votre iPhone peut tout faire, et ces circuits pourraient le faire également. » 

Les circuits constitués de ces cellules mettent environ huit heures pour effectuer chaque calcul, soit beaucoup plus longtemps qu’un circuit informatique. Mais, pour les applications biologiques, ce délai est raisonnable, selon les chercheurs. 

« Nous ne cherchons pas à remplacer les ordinateurs, mais plutôt à intégrer le contrôle informatique au sein du vivant. Si des bactéries se trouvent sur les racines d’une plante, ou si la plante elle-même effectue les calculs, un calcul simple réalisé pendant la nuit est suffisamment rapide par rapport à une saison de croissance », explique Voigt.

Si ce type de circuit était développé pour l’agriculture, il pourrait être appliqué aux racines des plantes afin de détecter différents types de stress. La détection d’un signal particulier déclencherait une réponse, comme la synthèse d’un fongicide.

Ces recherches ont été financées, en partie, par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) et par l’Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARA) des États-Unis.

https://news.mit.edu/2026/mit-engineers-connect-bacteria-to-create-living-transistors-0817