Живые клетки должны постоянно обрабатывать информацию, чтобы отслеживать меняющийся мир вокруг них и вырабатывать соответствующий ответ.
Через миллиарды лет проб и ошибок эволюция пришла к способу обработки информации на клеточном уровне. В микрочипах, на которых работают наши компьютеры, возможности обработки информации сводят данные к однозначным нулям и единицам. В клетках не все так просто. ДНК, белки, липиды и сахара расположены в сложных и разделенных структурах.
Но ученые, которые хотят использовать потенциал клеток как живых компьютеров, способных реагировать на болезни, эффективно производить биотопливо или разрабатывать химические вещества на растительной основе, не хотят ждать, пока эволюция создаст желаемую клеточную систему.
В новой статье, опубликованной 25 мая в Nature Communications, группа исследователей синтетической биологии Университета Вашингтона продемонстрировала новый метод цифровой обработки информации в живых клетках, аналогичный логическим элементам, используемым в электрических цепях. Они построили набор синтетических генов, которые функционируют в клетках наподобие вентилей НЕ-ИЛИ, обычно используемых в электронике, каждый из которых принимает два входа и передает положительный сигнал только в том случае, если оба входа отрицательные. Вентиляторы ИЛИ-НЕ функционально завершены, что означает, что их можно собирать в различных схемах, чтобы создать любую схему обработки информации.
Инженеры Университета Вашингтона сделали все это, используя ДНК вместо кремния и припоя, и внутри дрожжевых клеток, а не на рабочем столе электроники. Схемы, построенные исследователями, являются крупнейшими из когда-либо опубликованных на сегодняшний день в эукариотических клетках, которые, как и клетки человека, содержат ядро и другие структуры, обеспечивающие сложное поведение.
«Хотя реализация простых программ в клетках никогда не сможет конкурировать со скоростью или точностью вычислений в кремнии, генетические программы могут напрямую взаимодействовать с окружающей средой клетки», - сказал старший автор и профессор электротехники UW Эрик Клавинс. «Например, перепрограммированные клетки пациента могут принимать целенаправленные терапевтические решения в наиболее важных тканях, устраняя необходимость в сложной диагностике и широком спектре подходов к лечению».
Каждые клеточные ворота НЕ-ИЛИ состоят из гена с тремя программируемыми участками ДНК - два из которых служат входами, а один - выходом. Затем авторы воспользовались относительно новой технологией, известной как CRISPR-Cas9, для нацеливания на эти специфические последовательности ДНК внутри клетки. Белок Cas9 действует как молекулярный привратник в цепи, сидя на ДНК и определяя, будут ли активны определенные ворота или нет.
Если гейт активен, он выражает сигнал, который предписывает Cas9 деактивировать другой гейт в цепи. Таким образом, исследователи могут «связать» ворота вместе, чтобы создать логические программы в клетке.
Что отличает исследование от предыдущей работы, по словам исследователей, так это масштаб и сложность успешно собранных схем, которые включали до семи логических элементов NOR, собранных последовательно или параллельно.
При таком размере схемы могут начать выполнять действительно полезные функции, получая информацию от различных датчиков окружающей среды и выполняя вычисления для принятия решения о правильном ответе. Воображаемые приложения включают инженерные иммунные клетки, которые могут обнаруживать маркеры рака и реагировать на них, или клеточные биосенсоры, которые могут легко диагностировать инфекционное заболевание в тканях пациента.
Исследователи заявили, что эти большие цепи ДНК внутри клеток являются важным шагом на пути к способности программировать живые клетки. Они обеспечивают структуру, в которой логические программы могут быть легко реализованы для управления клеточной функцией и состоянием.