Используя аналоговые вычислительные схемы, инженеры создали клетки, способные вычислять логарифмы, делить и извлекать квадратные корни

Инженеры MIT превратили бактериальные клетки в живые калькуляторы, способные вычислять логарифмы, делить и извлекать квадратные корни, используя три или меньше генетических "частей". Вдохновившись принципами работы аналоговых электронных схем, исследователи создали синтетические вычислительные схемы, комбинируя существующие генетические "части" (инженерные гены) новыми способами.

Схемы выполняют эти вычисления аналоговым способом, используя естественные биохимические функции, уже присутствующие в клетке, а не изобретая их заново с помощью цифровой логики. Это делает их более эффективными, чем цифровые схемы, над которыми работают большинство синтетических биологов, как утверждают старшие авторы статьи Рахул Сарпешкар и Тимоти Лу. Статья с описанием схем опубликована 15 мая в онлайн-издании Nature.

"В аналоговых вычислениях вы работаете с непрерывным набором чисел, что означает не только чёрное и белое, но и все оттенки серого", — говорит Сарпешкар.

Аналоговые вычисления особенно полезны для создания клеточных сенсоров на патогены или другие молекулы. Аналоговое сенсирование также можно комбинировать с цифровыми схемами для создания клеток, способных предпринимать конкретные действия при достижении пороговой концентрации определённых молекул.

Ведущим автором статьи в Nature является постдок MIT Рамиз Даниэль.

Преимущества аналогового подхода

В новой статье в Nature Сарпешкар, Лу и коллеги сделали обратное — перенесли аналоговые электронные схемы в клетки. Эти аналоговые схемы эффективны, потому что они могут принимать непрерывный диапазон входных данных и используют естественные непрерывные вычислительные функции, уже присутствующие в клетках.

Цифровые схемы, напротив, представляют каждое значение как ноль или единицу, игнорируя диапазон промежуточных возможностей. Цифровые схемы также требуют гораздо больше частей, что может истощать энергию клетки-хозяина.

Выполнение вычислений

Чтобы создать аналоговую схему сложения или умножения, способную вычислять общее количество двух или более соединений в клетке, исследователи объединили две схемы, каждая из которых реагирует на свой входной сигнал. В одной схеме сахар арабиноза включает транскрипционный фактор, активирующий ген, кодирующий зелёный флуоресцентный белок (GFP). Во второй сигнальная молекула AHL также включает ген, продуцирующий GFP. Измеряя общее количество GFP, можно вычислить общее количество обоих входных сигналов.

Для вычитания или деления исследователи заменили один из активаторных транскрипционных факторов на репрессор, который выключает производство GFP при наличии входной молекулы. Команда также построила аналоговую схему извлечения квадратного корня, требующую всего двух частей, в то время как недавно описанная цифровая синтетическая схема для выполнения той же операции имела более 100 частей.

"Аналоговые вычисления очень эффективны. Для создания цифровых схем с сопоставимым уровнем точности потребовалось бы гораздо больше генетических частей", — говорит Сарпешкар.

Ещё одна схема команды может выполнять деление, вычисляя отношение двух разных молекул. Клетки часто выполняют такие вычисления самостоятельно, что критически важно для мониторинга относительных концентраций молекул, таких как NAD и NADH.

"Это отношение важно для контроля многих клеточных процессов, и клетка естественным образом обладает ферментами, которые могут распознавать эти отношения", — говорит Лу. "Клетки уже могут делать многое из этого самостоятельно, но для работы в полезном диапазоне требуется дополнительная инженерия".

Эта дополнительная инженерия включала модификацию схем для вычислений с входными данными в диапазоне от 1 до 10 000 — гораздо более широком, чем диапазон естественной клеточной схемы.

Исследователи теперь пытаются создать аналоговые схемы в небактериальных клетках, включая клетки млекопитающих. Они также работают над расширением библиотеки генетических частей, которые можно включить в схемы.