Бактериальные клетки превратили в живые искусственные нейронные цепи

Учёные из Техниона и MIT, объединив концепции электротехники и инструменты биоинженерии, создали клетки, способные выполнять сложные вычисления — своего рода «биокомпьютеры».

Аспиранты и исследователи из Лаборатории синтетической биологии и биоэлектроники профессора Рамеза Даниэля (Технион — Израильский технологический институт) совместно с профессором Роном Вайсом из Массачусетского технологического института создали генетические «устройства», предназначенные для вычислений, подобных искусственным нейронным цепям. Результаты опубликованы в Nature Communications.

Генетический материал был внедрён в бактериальную клетку в форме плазмиды — относительно короткой молекулы ДНК, существующей отдельно от «естественного» генома бактерии. Плазмиды существуют и в природе, выполняя различные функции. Исследователи спроектировали генетическую последовательность плазмиды так, чтобы она функционировала как простой компьютер, точнее — как простая искусственная нейронная сеть. Это было достигнуто за счёт того, что несколько генов на плазмиде регулируют активацию и деактивацию друг друга в ответ на внешние стимулы.

Как клетка может быть схемой?

На базовом уровне компьютер состоит из 0 и 1, из переключателей. Над ними выполняются операции: суммирование, выбор максимального или минимального значения и т.д. В электронных компьютерах роль переключателей играют транзисторы. Но наши клетки — тоже компьютеры особого рода. Там роль переключателя может играть наличие или отсутствие молекулы. Гены активируют, запускают или подавляют другие гены, образуя, модифицируя или удаляя молекулы. Синтетическая биология стремится использовать эти процессы, чтобы заставить бактериальную клетку выполнять сложные задачи.

Создание программируемых клеток

Доктора наук Луна Ризик и Лоай Даниэль вместе с доктором Муной Хабиб под руководством профессора Рамеза Даниэля и в сотрудничестве с профессором Роном Вайсом создали синтетические вычислительные цепи, комбинируя существующие генетические «части» (инженерные гены) новыми способами и внедряя концепции нейроморфной электроники в бактериальные клетки. В результате были получены бактериальные клетки, которые можно обучать с помощью алгоритмов искусственного интеллекта.

Динамическое перепрограммирование

Группа создала гибкие бактериальные клетки, которые можно динамически перепрограммировать для переключения между функциями определения наличия хотя бы одного из тестовых химических веществ или двух одновременно (т.е. клетки могли переключаться между выполнением логических функций ИЛИ и И). Способность клеток динамически менять свою программу позволяет им выполнять разные операции в разных условиях.

Аналого-цифровой преобразователь на основе клеток

Используя алгоритмы ИИ, группа смогла использовать естественное свойство живых клеток — реагировать на градиенты концентрации — для создания аналого-цифрового преобразователя. Клетка способна сообщать, является ли концентрация определённой молекулы «низкой», «средней» или «высокой». Такой сенсор может использоваться для доставки правильной дозировки лекарств, включая препараты для иммунотерапии рака и лечения диабета.

Использование алгоритмов ИИ позволило учёным производить необходимые генетические модификации бактериальных клеток за значительно меньшее время и с меньшими затратами.