Ноль с кишечной палочкой

Создано логическо-запоминающее устройство на основе кишечной палочки. Другими словами — первый, пусть и очень простой компьютер, использующий функцию памяти и вычислительные мощности живой клетки.

Инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) сконструировали молекулярно-генетические контуры, позволяющие не только производить логические операции внутри бактерий, но также запоминать их результаты, которые записываются в клеточные ДНК и передаются следующим поколениям организмов. Эту технологию, описанию которой посвящена статья в Nature Biotechnology, можно использовать для создания клеточных биосенсоров c функцией памяти, аналого-цифровых биоинтерфейсов, а также для программирования стволовых клеток с целью получения клеток нужного (дифференцированного) типа.

Живая клетка — миниатюрный молекулярный компьютер, созданный самой природой, способный как передавать информацию следующим поколениям себе подобных, так и производить логические операции в процессе такой передачи, а также адаптироваться к окружающей среде, обрабатывая сигналы, поступающие в него извне. Методы генной инженерии позволяют манипулировать этими процессами — создавать, например, новые организмы с заданными свойствами, или использовать ДНК в качестве устройств памяти, записывая в них небиологическую информацию, притом носителями таковой могут быть как живые клетки, так и массивы искусственно синтезированных ДНК, кодирующих биты по тому или иному алгоритму (о том и о другом подходе рассказывала «Газета.Ru» — см. врезы).

Вычислительный потенциал ДНК также активно изучается: исследуются технологии, позволяющие выполнять базовые логические операции с помощью синтетической ДНК «в пробирке». Следующим шагом должно стать создание полноценного ДНК-компьютера, объединяющего функции молекулярного процессора и ДНК-памяти, и разработка МИТ впервые реализует такой компьютер, притом не «в пробирке», а внутри живого одноклеточного организма, не теряющего способность размножаться.

Зачем нужны такие технологии?

«Главной целью синтетической биологии является создание клеточных устройств, способных обрабатывать входные сигналы, принимать решение и срабатывать»,

— так, предельно лаконично, определяют стратегическую задачу программирования живой материи авторы статьи.

Собственно, в живых системах стратегия, направленная на удержание, изменение и передачу информации уже реализована в ходе естественной эволюции. В искусственных программированные клетки, помимо естественной активности, параллельно обрабатывают информацию по алгоритмам, заданным извне. Для этого используются гены, искусственно внедренные в ДНК, и различные молекулярные факторы, включающие и выключающие эти гены по известной схеме.

Приняв комбинацию факторов за «вход», а экспрессию гена, то есть производство клеткой определенного белка (например, флюоресцентного), за «выход», можно программировать генномодифицированные клетки в качестве логических вентилей – базовых устройств, выполняющих элементарные логические операции аналогично электронным схемам на основе полевых транзисторов, которые используются в цифровых вычислительных машинах.

Команда MIT усовершенствовала эту технологию и создала клеточный вентиль с функцией памяти, который не только совершает логическую операцию, но и запоминает входной сигнал, запустивший срабатывание вентиля.

Возьмем, например, простейший клеточный вентиль на основе кишечной палочки, реализующий логическую операцию AND (логическое «и») посредством производства флюоресцентного белка в ответ на сочетание двух определенных входных сигналов. Клеточный вентиль, созданный в MIT, раз и навсегда запомнит эти сигналы, а производство белка продолжится даже после того, как сигналы (стимулы), запустившие этот процесс, исчезнут. Как именно реализована функция запоминания, отменяющая необходимость постоянно стимулировать клетки-вентили, которые просто запоминают свою логическую позицию в следующих поколениях клеток?

Функцию такого запоминающего «затвора» играет последовательность нуклеотидов, специально помещенная между промотором (участком ДНК, узнаваемым РНК-полимеразой как точка отсчета для считывания информации и последующей транскрипции гена) и собственно последовательностью, кодирующей белок. Эта внедренная последовательность, называемая «терминатором», подавляет транскрипцию гена флюоресценции, но ее, в свою очередь, можно дезактивировать определенным энзимом рекомбиназы – белком, разрезающим, переворачивающим и рекомбинирующим участки ДНК. При активации определенного энзима рекомбиназы, наступающей лишь при одновременной подаче двух разных входных сигналов, нуклеотидная последовательность участка-терминатора выключается (разворачивается на 180 градусов), ген транскрибируется и бактерия светится, но терминатор уже не может вернуться в начальное положение, препятствующее экспрессии гена ни в этом, ни в следующем поколении кишечной палочки.

В общей сложности авторы статьи исследовали 90 поколений бактерий-вентилей, и все они помнили событие, запустившее логическую операцию «и», а также ряд других логических операций, хотя первоначальные сигналы уже исчезли.

Таким образом, историю бактерий (или состояние вентилей, а также исчезнувший сигнал, вызвавшей это состояние) можно проследить, просто измерив уровень их свечения.

И даже если бактерии погибнут, значение и историю вентилей можно восстановить, расшифровав микробные геномы.

Используя эту технологию команда МIT реализовала с помощью модифицированных видов кишечной палочки 16 логических вентилей (OR, FALSE, XOR и др.) с функцией памяти. Такие вентили можно использовать в качестве биосенсоров, настроенных на определенные молекулы, и по выходному сигналу которых можно судить о присутствии тех или иных соединений в окружающей среде.

Например, если такой сенсор имеет два разных входных сигнальных контура, влияющих на уровень экспрессии флюоресцентного гена, то на выходе мы получаем четыре вариации сигнала, по которым можно судить, какому воздействию подвергался сенсор. Используя этот подход можно можно заранее программировать бактерии, которые во всех последующих поколениях будут реагировать на определенные сигналы строго определенным образом, что позволит более тонко регулировать процесс производства лекарств или, например, биотоплива. Наконец, аккуратно контролировать процесс дифференцирования стволовых клеток в клетки определенного типа также можно посредством вычислительного потенциала клеток, которые, один раз запомнив входной сигнал, будут повторять в последующих поколениях нужный «выход», то есть тип клетки.

Возможно, что в будущем станет возможным и создание искусственных ансамблей клеток, использующих максимально возможное число логических операций для обработки сигналов разных типов, а также для запоминания и принятия решений.