Программируемые клетки человека

Специалисты по синтетической биологии разработали ДНК-модули, которые выполняют логические операции в живой клетке. Эти «генетические схемы» можно использовать для отслеживания важнейших моментов в жизни клетки или лишь одним движением генетического перек

        Специалисты по синтетической биологии разработали ДНК-модули, которые выполняют логические операции в живой клетке. Эти «генетические схемы» можно использовать для отслеживания важнейших моментов в жизни клетки или лишь одним движением генетического переключателя изменять ее судьбу.

        Синтетическая биология работает над переносом концепций из электронного машиностроения в клеточную биологию, воспринимая генетические функции как компоненты электрической цепи. С этой целью специалисты Массачусетского технологического института изобрели набор простых генетических модулей, которые реагируют на входящие сигналы аналогично булевым логическим схемам, используемым в компьютерах.

        «Эти разработки позволят приблизиться к созданию программируемых клеток, обладающих способностью к принятию решений, для использования во множестве сфер», - отмечает специалист по синтетической биологии Джеймс Коллинс, который не принимал участия в исследовании. Более десяти лет назад он изобрел генетический «переключатель», который дал толчок развитию синтетической биологии. С тех пор появилось множество вычислительных схем для клеток, включая простейший счетчик, разработанный Коллинсом и его коллегами в 2009 году.

        Но чтобы сделать это действительно точной технической дисциплиной, необходимо продвигаться к решениям, которые дадут возможность программировать клетки в больших масштабах, считает специалист по синтетической биологии Тимоти Лу, который был автором последнего исследования. «Мы хотели продемонстрировать, что возможно легко собрать воедино ряд простых частей и получить средство решения многих логических функций», - рассказывает ученый.

        Кольцевая логическая схема

        Логические модули Тимоти Лу основаны на плазмидах – кольцевых цепях ДНК, помещенных в клетки бактерии Escherichia coli, т.е. кишечной палочки. Ученые разработали 16 плазмид – по одной для каждой двухзначной логической функции, доступной в вычислениях. Каждое соединение включает стимулирующую и ограничивающую последовательности ДНК, которые соответственно начинают или останавливают транскрипцию генов. Кроме того, в них предусмотрен ген выходного сигнала, который кодирует зеленый флуоресцентный белок.

        Ключевым элементом системы является использование ферментов рекомбиназы, которые обрезают и перестраивают стимулирующую и ограничивающие последовательности ДНК, чтобы активировать или отключить их. Иными словами, ферменты рекомбиназы являются входящими сигналами, которые определяют момент считывания гена с исходящими данными.

        Например, электронный логический элемент И дает положительный выходной сигнал, только когда к обоим входным сигналам подается напряжение. В генетической версии ген выходного сигнала считывается, только когда обе ограничивающие последовательности между ним и стимулирующей последовательностью нейтрализуются двумя входящими сигналами в виде ферментов рекомбиназы.

        Как отмечает Тимоти Лу, хотя рекомбиназы аналогичным образом использовались в прошлом (например, для записи данных в память ДНК), нынешнее исследование делает шаг вперед, используя ДНК в самом процессе вычисления. «Раз изменяемая ДНК – это регулирующий элемент, а именно стимулирующая или ограничивающая последовательность, то это дает возможность осуществлять контроль внутри клетки. И как раз такой контроль и обеспечивает логические схемы», - рассказывает ученый.

        Независимые исследователи называют искусственные модули цифровым долговременным способом хранения информации в ДНК. Логическая схема может хранить множество данных, например, информацию о пребывании клетки в двух разных средах.

        У системы есть и другие преимущества. Изменение носит постоянный характер, и потому после смерти клетки есть возможность получить информацию из ДНК. Измененные плазмиды передаются минимум 90 поколениями клеток, а это важный момент для биологов, работающих над получением ключевой информации об истории клетки.

        Методика может оказаться полезной и в биотехнологии. При помощи таких «переключателей» производители смогут вырастить клеточные культуры, в которых основные гены отключены до момента активации сигнальным соединением, например, для запуска производства препарата в момент готовности системы. Другие «переключатели» могут остановить производство в момент достижения лимита.