Исследователи превратили бактериальную клетку в биологический компьютер
Учёные из Техниона создали биологический компьютер внутри бактериальной клетки, способный отслеживать различные вещества в окружающей среде. В настоящее время компьютер идентифицирует и сообщает о токсичных и других материалах. Следующая цель — возможность предупреждать о кровотечениях в теле человека.
Исследование аспирантки Натальи Баргер и доцента Рамеза Даниэля, руководителя Лаборатории синтетической биологии и биоэлектроники на факультете биомедицинской инженерии Техниона, было опубликовано в сентябре 2019 года в журнале Nucleic Acids Research (NAR).
В своей статье в NAR исследователи представили реорганизацию сложной генетической структуры бактериальной люциферазы — белков, участвующих в создании света бактериальной клеткой.
«Мы построили своего рода биологический компьютер в живых клетках. В этом компьютере, как и в обычных, схемы выполняют сложные вычисления», — сказала Баргер. «Только здесь эти схемы генетические, а не электронные, и информация переносится белками, а не электронами».
Бактериальная люцифераза и её субстрат кодируются пятью генами и отвечают за генерацию света в бактериальной клетке. Разделив естественную структуру люциферазы, исследователи создали различные генетические цепи и вставили их в клетки бактерий E. coli. В результате модифицированные бактерии передают сигналы как продукт вычислительного действия внутри клетки. Таким образом, они могут служить умными биосенсорами, аналитическими инструментами для мониторинга и количественной оценки загрязнений окружающей среды и других токсичных веществ.
«Сегодня подобные устройства в бактериях уже существуют, но они основаны на существующей системе (люциферазе) как она есть», — объяснили исследователи. «Мы же перенастроили систему так, чтобы она работала так, как мы хотим, для обнаружения материалов и комбинаций материалов, интересующих пользователя. Более того, наша система способна работать с несколькими входами одновременно — то есть с разными материалами».
Первое применение инновационной системы было протестировано и успешно функционировало при мониторинге налидиксовой кислоты и перекиси водорода (H2O2) — токсичных веществ, повреждающих ДНК и запускающих раковые процессы. На следующем этапе исследователи изучат возможность запрограммировать бактериальную клетку для предупреждения о кровотечении в теле человека.
«Наше исследование продвигает синтетическую биологию на шаг вперёд и делает биологию точной и планируемой наукой», — заключил профессор Даниэль. «Мы разработали сложный биокомпьютер, то есть запрограммированную биологическую систему, выполняющую сложные задачи. По сути, мы представляем здесь новый или обновлённый организм, который был создан не в нормальном эволюционном процессе, а в процессе планового инжиниринга».