Бактериальная "FM-радиосвязь"

Программирование живых клеток открывает перспективы использования сложных биологических механизмов для преобразующих приложений в энергетике, сельском хозяйстве, очистке воды и медицине. Вдохновленные инженерией, исследователи в области синтетической биологии создали набор небольших генетических компонентов, которые действуют как внутриклеточные переключатели, логические элементы, счетчики и осцилляторы.

Однако ученые столкнулись с трудностями при объединении компонентов в более крупные схемы, способные функционировать как "генетические программы". Одна из главных проблем — малое количество доступных "проводов".

Команда биологов и инженеров из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UC San Diego) сделала большой шаг к преодолению этого препятствия. Их достижение, описанное в статье в журнале Nature, заключается в разработке быстрой и настраиваемой посттрансляционной связи для генетических цепей. Эта работа основана на созданных той же группой ученых два года назад в Nature сенсорных массивах "биопикселей".

Проблема, которую решили исследователи, возникает из-за шумной клеточной среды, ведущей к высоковариабельной работе схем. Компоненты клетки перемешаны, скучены и постоянно сталкиваются друг с другом. Это затрудняет повторное использование частей в разных местах программы, ограничивая общее количество доступных частей и "проводов". Эти трудности мешали созданию генетических программ, способных считывать клеточную среду и реагировать выполнением последовательности инструкций.

Прорыв команды включает форму "частотного мультиплексирования", вдохновленную FM-радио.

Принцип частотного мультиплексирования

"Эта схема позволяет нам кодировать несколько независимых входных данных из окружающей среды в один временной ряд", — сказал Артур Приндл, аспирант по биоинженерии и первый автор исследования. "Несколько частей информации передаются с использованием одного и того же компонента. Это работает за счет использования различных частот для передачи разных сигналов по общему каналу".

Ключом к прорыву стало использование для передачи информации частоты, а не амплитуды. "Комбинировать два биологических сигнала по амплитуде сложно, потому что измерения амплитуды связаны с флуоресценцией и обычно относительны. Нелегко разделить вклад каждого сигнала", — пояснил Приндл. "Когда мы используем частоту, эти относительные измерения производятся относительно времени, и их можно легко извлечь, измеряя время между пиками с помощью одного из нескольких аналитических методов".

Новый механизм внутриклеточной связи

Прорыв стал возможен благодаря разработке механизма внутриклеточной "проводки", обеспечивающего быструю передачу белковых сигналов между отдельными модулями. Новый механизм был вдохновлен предыдущим исследованием в лаборатории о бактериальном стрессе. Он сокращает временные задержки, возникающие при использовании белков для активации или репрессии генов.

"Новый метод связи способен сократить задержку сигнала между отдельными генетическими цепями более чем на порядок", — сказал Джефф Хасти, профессор биологии и биоинженерии, руководивший исследованием. "Уровень современных технологий составлял около 20–40 минут, но теперь мы можем делать это менее чем за минуту".

Вдохновение природой и ограничения метафор

Хотя их применение вдохновлено электроникой, ученые предостерегают от чрезмерной "метафоризации" инженерной биологии.

"Мы прямо указываем, что, поскольку биология часто слишком переплетена, чтобы проектировать ее так, как мы привыкли в электронике, мы должны иметь дело с двунаправленной связью и количественно понимать ее эффекты с помощью вычислительных моделей", — объяснил Приндл.

"Что действительно захватывает в этом методе связи, так это тот конкретный способ, которым мы это сделали", — добавил он. "Вместо того чтобы строить с нуля, мы использовали ферментные механизмы, которые клетка применяет для быстрой и точной передачи сигналов во время стресса. Это привлекательная стратегия, потому что она позволяет нам воспользоваться преимуществами продвинутых механизмов, которые уже эволюционировала природа".