211service.com
De wetenschappers die een bio-internet of things creëren
conceptueel beeld van bacterieel in een petrischaaltje michael schiffer / unsplash
Stelt u zich eens voor dat u het perfecte apparaat voor het internet der dingen ontwerpt. Welke functies moet het hebben? Om te beginnen moet het kunnen communiceren, zowel met andere apparaten als met zijn menselijke opperheren. Het moet informatie kunnen opslaan en verwerken. En het moet zijn omgeving bewaken met een reeks sensoren. Ten slotte heeft het een soort ingebouwde motor nodig.
Er is geen tekort aan apparaten die veel van deze functies hebben. De meeste zijn gebaseerd op algemeen verkrijgbare, goedkope apparaten zoals Raspberry Pis, Arduino-kaarten en dergelijke.
Maar een andere reeks machines met vergelijkbare functies is veel overvloediger, zeggen Raphael Kim en Stefan Poslad van de Queen Mary University of London in het VK. Ze wijzen erop dat bacteriën effectief communiceren en ingebouwde motoren en sensoren hebben, evenals een krachtige architectuur voor informatieopslag en verwerking.
En dat roept een interessante mogelijkheid op, zeggen ze. Waarom geen bacteriën gebruiken om een biologische versie van het internet der dingen te creëren? Vandaag zetten ze in een oproep tot actie een deel van het denken en de technologieën uiteen die dit mogelijk zouden kunnen maken.
De manier waarop bacteriën informatie opslaan en verwerken is een opkomend onderzoeksgebied, waarvan een groot deel gericht is op het bacteriële werkpaard Escherichia coli . Deze (en andere) bacteriën slaan informatie op in ringvormige DNA-structuren, plasmiden genaamd, die ze van het ene organisme naar het andere overbrengen in een proces dat conjugatie wordt genoemd.
Vorig jaar hebben Federico Tavella van de Universiteit van Padua in Italië en collega's een circuit gebouwd waarin een soort immobiele E coli stuurde een eenvoudig Hallo wereld-bericht naar een beweeglijke stam, die de informatie naar een andere locatie bracht.
Dit soort informatieoverdracht vindt voortdurend plaats in de bacteriële wereld, waardoor een fantastisch complex netwerk ontstaat. Maar het proof-of-principle-experiment van Tavella en co laat zien hoe het kan worden benut om een soort bio-internet te creëren, zeggen Kim en Poslad.
E coli een perfect medium zijn voor dit netwerk. Ze zijn beweeglijk - ze hebben een ingebouwde motor in de vorm van golvende, draadachtige aanhangsels, flagella genaamd, die stuwkracht genereren. Ze hebben receptoren in hun celwanden die aspecten van hun omgeving voelen - temperatuur, licht, chemicaliën, enz. Ze slaan informatie op in DNA en verwerken deze met behulp van ribosomen. En ze zijn klein, waardoor ze kunnen bestaan in omgevingen waar door mensen gemaakte technologieën moeilijk toegang toe hebben.
E coli zijn relatief eenvoudig te manipuleren en ook te engineeren. De basisbeweging van DIY-biologie maakt biotechnologische hulpmiddelen goedkoper en gemakkelijker beschikbaar. De Aminolab , is bijvoorbeeld een genetische manipulatiekit voor schoolkinderen, waarmee ze kunnen herprogrammeren E coli onder andere oplichten in het donker.
Dit soort biohacking komt relatief vaak voor en toont het opmerkelijke potentieel van een bio-internet of things. Kim en Poslad praten over een breed scala aan mogelijkheden. Bacteriën kunnen worden geprogrammeerd en ingezet in verschillende omgevingen, zoals de zee en 'slimme steden', om gifstoffen en verontreinigende stoffen te detecteren, gegevens te verzamelen en bioremediatieprocessen uit te voeren, zeggen ze.
Bacteriën kunnen zelfs worden geherprogrammeerd om ziekten te behandelen. Met DNA dat codeert voor nuttige hormonen, kunnen de bacteriën bijvoorbeeld naar een gekozen bestemming in het menselijk lichaam zwemmen, [en] de hormonen produceren en afgeven wanneer ze worden geactiveerd door de interne sensor van de microbe, suggereren ze.
Natuurlijk zijn er verschillende nadelen. Terwijl genetische manipulatie allerlei grappige experimenten mogelijk maakt, bezorgen donkere mogelijkheden biosecurity-experts slapeloze nachten. Het is niet moeilijk voor te stellen dat bacteriën bijvoorbeeld fungeren als vectoren voor verschillende vervelende ziekten.
Het is ook gemakkelijk om bacteriën te verliezen. Een ding dat ze niet hebben, is het equivalent van GPS. Dus het is moeilijk om ze te volgen. Het kan inderdaad bijna onmogelijk zijn om de informatie die ze verzenden te volgen zodra deze in het wild is vrijgelaten.
En daarin ligt een van de problemen met een biologisch internet der dingen. Het conventionele internet is een manier om te beginnen met een bericht op een bepaald punt in de ruimte en het opnieuw te creëren op een ander punt dat door de afzender is gekozen. Hierdoor kunnen mensen, en in toenemende mate ook apparaten, met elkaar communiceren over de hele planeet.
Het bio-internet van Kim en Poslad biedt daarentegen een manier om een bericht te creëren en vrij te geven, maar weinig om te bepalen waar het terechtkomt. Het bionetwerk gecreëerd door bacteriële conjugatie is zo verbijsterend groot dat informatie zich min of meer overal kan verspreiden. Biologen hebben het proces van conjugatie waargenomen waarbij genetisch materiaal wordt overgedragen van bacteriën naar gist, naar planten en zelfs naar zoogdiercellen.
Evolutie speelt ook een rol. Alle levende wezens zijn onderhevig aan zijn krachten. Hoe goedaardig een bacterie ook lijkt, het evolutieproces kan grote schade aanrichten via mutatie en selectie, met resultaten die onmogelijk te voorspellen zijn.
Dan is er nog het probleem van slechte actoren die dit netwerk beïnvloeden. Het conventionele internet heeft meer dan een behoorlijk aantal individuen aangetrokken die malware vrijgeven voor snode doeleinden. De interesse die ze misschien hebben in een biologisch internet der dingen is het spul van nachtmerries.
Kim en Poslad erkennen enkele van deze problemen en zeggen dat het creëren van een op bacteriën gebaseerd netwerk nieuwe ethische kwesties met zich meebrengt. Dergelijke uitdagingen bieden een rijk terrein voor discussie over de bredere implicatie van door bacteriën aangedreven Internet of Things-systemen, concluderen ze met enig understatement.
Dat is een discussie die het waard is om eerder vroeger dan later te voeren.
Referentie: arxiv.org/abs/1910.01974 : Het ding met E. coli: kansen en uitdagingen van de integratie van bacteriën in IoT en HCI benadrukken