Инженеры из Массачусетского Технологического Института (MIT) разработали новые биосинтетические вычислительные схемы, объединяющие активную логику и память. Авторы опубликованного исследования – старший преподаватель в MIT Timothy Lu, докторант Piro Siuti и магистрант John Yazbek.
Исследователи из MIT создали в клетках бактерий генетические схемы, выполняющие не только логические функции, но и запоминающие результат вычислений, который кодируется в молекулах ДНК клеток и передается множеству последующих поколений. Схемы, описанные соавторами в журнале Nature Biotechnology, могут использоваться при длительных измерениях состояния окружающей среды биосенсорами, рациональном контроле при производстве биоматериалов или для программирования стволовых клеток при продуцировании клеток других типов.
По словам разработчиков, все известные им предыдущие публикации в области синтетической биологии сфокусированы на создании или логических элементов, или модулей памяти, сохраняющих данные в закодированном виде. Но никогда обоих компонентов одновременно. Ученые считают, что сложные вычисления требуют комбинирования логических схем и памяти, именно поэтому потребовалось создание такого специфического генетического аналога привычной нам жесткой логики.
 |
| Инженеры из MIT разработали генетические схемы в бактериальных клетках, одновременно выполняющие логические функции и запоминающие результат вычислений |
Больше чем логика
Синтетическая биология манипулирует взаимозаменяемыми генетическими блоками для создания схем, выполняющих различные функции, например, обнаружения в окружающей среде различных химических соединений. В схеме такого типа, целевой химикат вызывает определенную реакцию, например, синтеза зеленого флуоресцирующего белка (GFP).
Такие схемы могут быть разработаны для реализации любых операций булевой алгебры, например, логических элементов «ИЛИ», «И». Используя логическое сложение и умножение, генетически можно создавать схемы с несколькими входами. В большинстве ранее полученных клеточных логических схем выход системы поддерживается в «активном» состоянии, пока присутствует исходный активирующий схему фактор. Как только внешний фактор исчезает, схемы «отключаются» в ожидании следующего активатора.
Результатом нового исследования стала разработка клеточной схемы, которая изменяется активатором бесповоротно и создает долговременную память, «записывая» событие. Исследователи оттолкнулись от модели памяти из своей предыдущей разработки. Работа схем основана на ферменте рекомбиназа, который может вырезать участки из ДНК клетки, отбрасывая или заменяя их. Последующая активация этого фермента позволяет полученным схемам подсчитывать события, происходящие внутри клетки.
В схемах новой разработки функция памяти «встроена» в логические элементы. В стандартном клеточном элементе «И» два обязательных входа активируют белки, которые вместе запускают экспрессию выходного гена. Экспрессия гена – процесс преобразования информации гена в конечный продукт, в данном случае белок. Дело в том, что в новых схемах сами входы сохраняют свое состояние и являются участками ДНК, ответственными за синтез белка GFP. Эти участки, называемые стимуляторами, влияют на клеточные белки, ответственные за транскрибирование кода GFP гена в информационную РНК, которая потом управляет сборкой GFP.
Например, в одной из описанных авторами схем, две последовательности нуклеотидов ДНК, называемые терминаторами, помещаются между стимулятором и выходным геном (в этом случае GFP). Каждый из этих терминаторов препятствует транскрипции выходного гена и может быть отброшен различными ферментами рекомбиназы, отключающими терминатор.
Каждый из двух входов этих схем запускает продуцирование ферментов рекомбиназы, необходимых для отключения терминатора. Если на одном из входов «логический ноль», продуцирование GFP блокируется. Если же на обоих входах «единица», оба терминатора отбрасываются, в результате их инактивации продуцируется GFP.
Как только последовательности терминаторов ДНК отброшены, они не могут вернуться в свое исходное состояние. С этого момента память об активации логического элемента записана в ДНК. Эта последовательность передается бактериями минимум 90 последующих поколений. При необходимости считывания истории клетки, ученые могут измерить уровень GFP белка (выход схемы), который остается постоянным из поколения в поколение. Если же клетка умерла, можно считать память путем секвенирования ДНК.
Используя эту методику, ученые могут создавать двухвходовые логические элементы, реализуя последовательные логические системы.
Долговременная память
Такие схемы могут использоваться при создании цифро-аналоговых преобразователей. В схемах этого типа цифровые входы по аналогии с «0» и «1» будут реагировать на присутствие или отсутствие какого-либо химического соединения. А аналоговым выходом схемы и результатом преобразования будут значения (уровни), записанные непрерывно в генной экспрессии.
Например, пусть в клетке присутствуют две схемы, каждая из которых при активации экспрессирует различные уровни белка GFP. После активации схем перебором состояний на их входах можно получить 4 различных аналоговых уровня на выходе. Более того, после измерения уровня произведенного белка GFP исследователи могут выяснить, какой из входов был в активном состоянии логической «1».
Схемы этого типа позволят лучше контролировать процесс выращивания клеток, производящих биотопливо, медицинские препараты или другие химические соединения. Вместо создания схем, находящихся всегда во «включенном» состоянии, или использования стимуляторов, которые нуждаются в постоянном наличии «данных» на входе для поддержания постоянства «сигнала» на выходе, ученые теперь могут кратковременно программировать схемы. Клетки и их потомство всегда будут помнить этот запрограммированный уровень, не нуждаясь во внешней информации.
При использовании в виде биосенсоров для анализа окружающей среды, подобные схемы могут обеспечить высокоточное хранение данных длительное время.
Являясь базой дальнейших исследований, полученные результаты позволяют ученым более точно контролировать метаболизм стволовых клеток при продуцировании из них клеток других типов.
Исследование было профинансировано Центром Военно-Морских Исследований (ONR) и Управлением Перспективных Исследовательских Программ в Области Обороны (DARPA) США.
