Исследователи из Института Пастера и Inria совместно с исследователями из CNRS и Парижского университета Дидро, а также из Института науки и технологий (IST) в Австрии опубликовали две статьи в Nature Communications о компьютерном управлении клеточными процессами.. Гибридные экспериментальные платформы, сочетающие микроскопы и программное обеспечение, позволяют исследователям связывать живые клетки с алгоритмами управления в режиме реального времени. Две статьи иллюстрируют, что эти решения позволяют создавать новые и легко перепрограммируемые модели поведения клеточных популяций. Этот внешний контроль над живой тканью впоследствии станет мощным исследовательским инструментом для детального понимания биологической роли определенных белков и оптимизации процессов биопродукции.
Цель синтетической биологии, объединяющей биологию и инженерию, состоит в том, чтобы (пере)программировать клетки, чтобы повысить их производительность в конкретной задаче или чтобы они могли эффективно выполнять новую задачу. Таким образом, одной из задач в этой дисциплине является преодоление ограничений существующих биологических систем. Например, трудно получить одинаковую экспрессию генов в разных клетках, даже если они выращены в одной среде. Благодаря этим передовым технологиям исследователи могут обеспечить однородный контроль над клеточными процессами в течение очень длительного периода времени.
Исследователи из Института Пастера и Inria, CNRS и Парижского университета Дидро, а также IST Austria разработали две платформы, соединяющие микроскоп с компьютером. Клетки помещают в микрожидкостное устройство, в котором можно варьировать химическую среду или клетки могут подвергаться световой стимуляции. Компьютерная программа решает, какие модификации следует внести в химическую или световую среду в соответствии с наблюдаемым поведением клеток и целью эксперимента. Компьютер также управляет получением изображений с помощью микроскопа и их анализом для количественной оценки клеточных ответов в режиме реального времени.
В первой статье исследователи из InBio - экспериментального подразделения экспериментальных и вычислительных методов моделирования клеточных процессов (Институт Пастера / Inria) и из двух групп IST Austria, группы системной и синтетической биологии генетических сетей, возглавляемой C?lin C. Guet и группа биофизики и неврологии, возглавляемая Гашпером Ткачиком, использовали оптогенетику для активации экспрессии гена путем воздействия на клетки света. Флуоресцентный белок используется для измерения количества продуцируемого белка. Затем контроллер, используя модель системы, может в режиме реального времени решить, какие динамические возмущения применить, исходя из ожидаемого поведения ячеек в будущем. Благодаря компьютерным программам, созданным исследователями, они могут различными способами управлять каждой ячейкой в отдельности или создавать виртуальную связь между несколькими ячейками, которые распространяют сообщения в легко реконфигурируемом порядке. «Нам удалось создать платформу, позволяющую нам проектировать схемы, которые являются частично биологическими и частично виртуальными. Виртуальные части этих схем можно произвольно модифицировать, чтобы быстро создавать и исследовать клеточное поведение, даже за пределами того, что биологически возможно», - объясняет Якоб Рюсс, соавтор первой статьи.
Во второй статье Грегори Батт, руководитель подразделения InBio и последний соавтор с Паскалем Херсеном (CNRS) из Laboratoire Matière et systèmes complexes (CNRS/ Paris Diderot University), объясняет, как им удалось разместить сотовая система в нестабильной конфигурации: «Мы разработали компьютерную программу, целью которой является заставить клетки принимать бинарные решения случайным образом. Для этого клетки направляются в область нестабильности - подобно альпинистам на линии горного хребта - и затем им предоставляется возможность свободно развиваться в сторону одной из двух возможных стабильных конфигураций. Неожиданно мы обнаружили, что данная стимуляция, если она правильно подобрана, способна привести группы различных клеток в область нестабильности и удержать их там. Эти результаты могут помочь получить более четкое представление о том, как клеточные популяции коллективно принимают надежные решения без индивидуальной координации».
Научные достижения, описанные в этих статьях, стали возможными благодаря союзу двух дисциплин, которые сегодня дополняют друг друга: биологии и цифровых наук. Тесное сотрудничество между Институтом Пастера и Inria, принявшее форму исследовательской группы InBio, целью которой является разработка методологической основы для достижения количественного понимания функционирования клеточных процессов, является прекрасной иллюстрацией ценности междисциплинарных исследований, объединяющих экспериментальные подходы с методологическими разработками.