Клетки млекопитающих удалось превратить в сложные биокомпьютеры
По принципу работы живые клетки очень напоминают компьютеры. В ходе своей жизни эти крошечные системы постоянно отправляют запросы и отвечают на них в форме химического сигнала, то есть одни клетки в определённой ситуации выпускают сигнальные молекулы, а другие обладают специальными рецепторами, которые их принимают. Глобальный алгоритм, содержащий чёткие инструкции на все случаи жизни, при этом прописан в ДНК.
Возникает вопрос, а можно ли взломать эту систему и управлять ею извне, посылая логические команды? На примере бактерий уже было неоднократно показано, что добиться подобного можно. Разработкой данного направления занимается относительно молодая область науки — синтетическая биология. И основная мишень для манипуляций здесь – это, конечно же, молекула ДНК.
Бактерии стали первыми биологическими компьютерами, поскольку ими относительно просто манипулировать. Учёным даже удалось опробовать комбинацию из нескольких генетических схем вместе, чтобы производить более сложные "расчёты". Но все предыдущие попытки повторить успех на клетках млекопитающих заканчивались неудачно, а значит, и практическое применение технологии для лечения заболеваний человека находилось под большим вопросом.
Дело в том, что для работы так называемой генетической цепи необходимо, чтобы отдельные акты "включения" и "выключения" определённых генов происходили последовательно. Для этого обычно использовались специальные белки — факторы транскрипции. Но в реальности их применение не позволяло добиться строгой последовательности действий в клетках млекопитающих.
Прорыв совершила команда исследователей из США и Швейцарии, работающая во главе с Уилсоном Воном (Wilson Wong) из Бостонского университета. Учёные ушли от факторов транскрипции и сосредоточились на других белках, а именно на "режущих ферментах" рекомбиназах ДНК. Эти молекулы распознают участки ДНК длиной около 30-50 пар оснований, после чего вырезают их и "сшивают" образовавшиеся концы цепочки.
Для начала исследователи поставили перед клеткой почки человека простейшую логическую задачу – отрицание. То есть команда, которую было необходимо выполнить биологической ячейке при получении конкретного сигнала – это "не делать" чего-либо. В рамках данного эксперимента клетка не должна была светиться, то есть производить зелёный флуоресцентный белок, в присутствии определённой рекомбиназы ДНК.
Главной целью для модификации стал обычный клеточный механизм экспрессии гена, который представляет собой процесс переноса генетической информации от молекул ДНК к молекулам РНК и запуск синтеза соответствующего белка. Начало считывания определённого участка ДНК инициирует предшествующий ему другой участок – промотор, а завершение обозначается терминатором.
Вон и его коллеги вставили после промотора четыре дополнительных фрагмента, основным из которых стал ген, запускающий синтез светящегося белка. А перед ним разместили терминатор в окружении участков, кодирующих рекомбиназу. Кроме этого, учёные вставили в ДНК ещё один ген, который позволяет запускать синтез фермента только в присутствии в клетке специального препарата.
В итоге, если заветное вещество отсутствует, то считывание ДНК прекращается при достижении вставленного терминатора, то есть ещё перед "светящимся" геном. Но при его добавлении, рекомбиназа начинает работу и вырезает терминатор, в итоге путь к синтезу флуоресцентного белка открывается.
На основе описанного принципа исследователям удалось выстроить 113 различных схем, 109 из которых успешно работали. Одной из них стала биологическая интерпретация довольно сложной логической схемы, которая носит название "таблицы поиска". Она позволяла комбинировать шесть входных данных и, в зависимости от этого, выполнять одну из 16 логических операций.
Свои достижения авторы описали в статье, которая была опубликована в журнале Nature Biotechnology.
Следующим шагом для учёных должна стать проверка принципов работы системы на других клетках организма млекопитающих. Но уже сейчас разработчики питают надежды, что их достижения внесут заметный вклад в решение проблем обнаружения различных заболеваний, и, в первую очередь, рака. Например, если получится "запрограммировать" стражников иммунной системы Т-лимфоцитов на обнаружение биомаркеров ранних стадий развития злокачественной опухоли, они смогут бороться с заболеваниями на принципиально новом уровне эффективности.
Другой целью для развития новой технологии может стать направленная дифференциация стволовых клеток в ответ на различные сигналы организма. Сильно забегая вперёд, можно сказать, что когда-нибудь синтетические биологи смогут генерировать по требованию, например, производящие инсулин бета-клетки или основу хрящевой ткани – хондроциты.
Добавим, что ранее рассказывалось о биологическом транзисторе, который позволяет производить вычисления в клетках, и компьютере, который "считает" на каплях жидкости.
