Клеточный калькулятор снабдили памятью

Учёные всё чаще задумываются над тем, можно ли создать вычислительную систему — аналог компьютера — на основе живой клетки. Иными словами, можно ли молекулярно-биохимические процессы приспособить к логическим операциям. В прошлом году мы писали о простейшем клеточном калькуляторе, созданном в Федеральной высшей технической школе в Цюрихе (Швейцария). Если кратко напомнить суть той работы, то её авторам удалось научить клетку с помощью булева оператора AND выполнять сложение в ответ на некий стимул. Выполнение операции запускало синтез флюоресцентного белка, и клетка начинала светиться. То есть логическая операция вела к молекулярно-биохимическому ответу.

Легко заметить, что такая система выполняет логическую работу до тех пор, пока действует импульс. Исследователи из Массачусетского технологического института (США) пошли дальше, снабдив такую клеточно-логическую систему памятью. То есть те операции, которые производила клетка, должны были как-то необратимо повлиять на неё. Для записи информации лучше всего подходит ДНК, только нужно как-то связать её с результатом логической операции. Понятно, что для этого нужно подключить ферменты, работающие с ДНК. Исследователи воспользовались клеточно-логической конструкцией, которую они получили несколько лет назад и в которой использовались рекомбиназы — белки, которые вырезают и манипулируют фрагментами ДНК.

В обычной системе выполнение оператора AND требует, чтобы два импульса активировали два белка, которые вместе включат некий ген. (Если запускается один белок или не тот, который нужен, никакого AND не произойдёт.) В новой системе эти два импульса не только вызывали синтез зелёного светящегося белка GFP, но и меняли участок ДНК, который контролировал его ген. Перед любым геном есть промоторная последовательность, которая связывает белки, необходимые для транскрипции. Учёные ставили между промотором и самим геном GFP две терминаторные последовательности, которые обозначали конец транскрипции. То есть синтез мРНК заканчивался, не успев начаться. Если же в клетку поступали два условных сигнала, они активировали два фермента, которые вырезали обе терминаторные последовательности, и синтез светящегося белка включался. Клетка, таким образом, действительно запоминала, что когда-то произвела логическое суммирование двух параметров. И такое изменение в ДНК, как пишут исследователи в журнале Nature Biotechnology, держалось на протяжении 90 клеточных поколений.

Понятно, что область применения таких клеточных микрокалькуляторов с памятью может быть весьма и весьма широкой. Клетка может собрать информацию, пронести её через несколько поколений и потом отдать исследователям — либо в виде белка, либо в виде изменённой последовательности ДНК, если клетка, например, погибла. Кроме того, информация внутри клетки может взаимодействовать между собой: например, следующие импульсы отменяют или изменяют действие предыдущих. Наконец, можно настроить клетку на логические операции с разнородными сигналами, а также научить её по-разному отвечать на уровень сигналов. То есть записывать не только качественный результат, не только «что», но и количественные параметры: сильные или слабые были импульсы. Словом, перспективы в области конструирования клеточно-логических систем «дух захватывают».

Подготовлено по материалам MIT News.