Создан фреймворк BLADE для прокладки вычислительных цепей в ДНК млекопитающих и человека

Фундаментальная цель синтетической биологии — предсказуемо и эффективно перепрограммировать клетки, чтобы они осуществляли вычисления и выполняли заданную биологическую задачу. Клетки генетически модицифируются — туда внедряют цепи для биовычислений. Такие мини-компьютеры демонстрируют многообещающие результаты в терапии, диагностике и промышленных биотехнологиях. Синтетическая биология — одно из самых перспективных направлений современной науки.

При программировании клеток учёным приходится решать сложные прикладные задачи. Например, реализация простой бинарной булевой функции (с двумя входными операндами) в клетке прокариот или эукариот требует прокладки множества генетических цепей, обширного конструирования и настройки генетических компонентов. Что касается более сложных вычислительных цепей, то это исключительная редкость в научной литературе.

Проблему решают, составляя каталог генетических компонентов для вычислительных цепей и разрабатывая программное обеспечение для автоматического проектирования вычислительных цепей в клетке. К сожалению, такой софт пока доступен для программирования клеток бактерий, но не для клеток млекопитающих и человека. Сейчас неизвестно, можно ли перенести различные части программного обеспечения с программирования клеток бактерий на клетки высших организмов.

Эту проблему решила группа учёных с кафедра биоинженерии и Центра биологического дизайна при Бостонском университете, кафедры электротехники и вычислительной техники Бостонского университета, а также кафедры науки биосистем и электротехники Швейцарской высшей технической школы Цюриха. Они представили фреймворк BLADE. Это фреймворк общего назначения, помогающий строить сложные генетические вычислительные цепи в клетках млекопитающих, используя сайт-специфические рекомбиназы — ферменты, осуществляющие рекомбинацию между отдельными сегментами ДНК. Именно применение сайт-специфических рекомбиназ является главной инновацией этого фреймворка.

Рекомбиназы работают как ножницы, вырезая и скрепляя конкретные участки ДНК в клетке. Конкретные ферменты, которые используются в этой научной работе, распознают два шаблона в цепочке ДНК, каждый длиной между 30 и 50 базовыми парами. Как только рекомбиназа находит целевые фрагменты, она вырезает всю ненужную ДНК между ними и соединяет концы двойной спирали. Такая техника генетического редактирования BLADE похожа на известную технику CRISPR.

Для проектирования генетических цепей применяется традиционная клеточная механика: цепочка ДНК переписывается в РНК, а затем РНК транслируется в соответствующие белки. Началом и окончанием работы по трансляции генов в белки управляют соответствующие фрагменты ДНК. Один из них — промоутер — сигнализирует о начале операции, и та продолжается, пока цепочка ДНК не дойдёт до ещё одного фрагмента, который сигнализирует о прекращении операции.

Авторы научной работы говорят, что фреймворк BLADE, в отличие от предыдущих разработок, требует минимальной оптимизации со стороны биопрограммиста. Он готов прокладывать цепи с большим количеством входных и выходных операндов без увеличения количества элементов транскрипции, то есть не увеличивая сложность цепи.

Чтобы проверить фреймворк в действии, исследователи спроектировали и внедрили более 100 разных функциональных вычислительных цепей, в том числе провели самые сложные логические операции, которые когда-либо выполнялись в живых клетках.

Например, на иллюстрации показано, как сайт-специфические рекомбинации тирозина и интегразы серина позволяют сконструировать булеву функцию AND с несколькими входными операндами.

(a) Рекомбинации осуществляют простые логические операции BUF через вырезание или инверсию; (b) Проверка эффективности всех рекомбинаций для логических операций BUF; (с) Логическая операция AND с шестью входными операндами

Возможности фреймворка BLADE этим не ограничиваются. Он позволяет создавать гораздо более сложные вычислительные цепи. На следующей иллюстрации показана программируемая логика устройства хранения, которое можно запрограммировать с помощью сайт-специфических рекомбиназ в клетке млекопитающего.

Учёные сконструировали 113 разных цепей, из которых 96,5% успешно функционировали. Это значительно больше, чем привычный для генной инженерии показатель успешности 25%.

Разработка фреймворка BLADE имеет важное значение для синтетической биологии. Учёные проложили в ДНК млекопитающих более 100 разных вычислительных цепей, большинство из которых реализовано впервые. Хотя в данной работе не реализовано каких-то полезных вычислительных систем, но исследователи предложили универсальную технику программирования, которую могут использовать коллеги для реализации конкретных прикладных приложений. Программируемые клетки можно использовать в различных сферах: от лечения рака до создания биологических тканей, которые по команде замещают износившиеся части организма.

До сегодняшнего дня эксперименты с программированием клеток, в основном, велись на клетках E.coli и других бактерий, потому что их генами относительно легко манипулировать. Сейчас подход синтетической биологии расширен на клетки млекопитающих и человека.

Научная работа опубликована 27 марта 2017 года в журнале Nature Biotechnology (doi:10.1126/science.aal0963, pdf).