Бактерии с искусственной памятью: новый шаг к живым компьютерам

Современные компьютеры обрабатывают информацию на кремниевых чипах, но компьютеры в широком смысле — это просто машины для обработки информации. Такими машинами можно считать мозг, бактерии, молекулы ДНК и, возможно, всю Вселенную. Ученые исследуют вычислительный потенциал природных систем, модифицируя биологические компьютеры для создания био-роботов, производящих лекарства или очищающих загрязнения.

Однако для развития этой области не хватает надежной биологической версии постоянной компьютерной памяти — способа создать молекулярную запись результата биологических вычислений, которая переживет живые клетки, ее создавшие. Новое исследование приблизило нас к этой цели, создав бактериальную машину, способную запоминать порядок химических сигналов.

Как устроены биологические схемы

В отличие от цифровых компьютеров, обрабатывающих биты (1 и 0), биологические компьютеры — аналоговые машины. Они представляют информацию, например, в виде градиента молекулярных концентраций.

В живой машине, такой как бактерия E. coli, схемы закодированы в ДНК. Ее геном длиной около 4.6 млн символов — это не «чертеж», а невероятно сложная схема. Продукты одного гена могут влиять на активность других, что, в свою очередь, зависит от внешней среды. Это создает каскад химической сигнализации, лежащий в основе развития, роста и метаболизма.

Ученые еще далеки от полного понимания «схемы» E. coli, но уже знают достаточно, чтобы встраивать новые компоненты или модифицировать связи между существующими. Это позволяет добавить клетке новые функции, например, способность обнаруживать свет.

Память, встроенная в геном

Ключевой недостаток многих современных био-устройств — отсутствие постоянной памяти. Бактерии, такие как E. coli, уже обладают кратковременной памятью, например, для поиска пищи, сравнивая текущую и прошлую концентрацию питательных веществ.

Чтобы создать долговременную память, исследователи используют не концентрации молекул (которые со временем снижаются), а сам геном в качестве ее основы. С помощью клеточных ферментов можно выборочно удалять или «переворачивать» участки бактериального генома в процессе обработки информации по заданной инженерами «программе».

Таким образом, результаты вычислений не только сохраняются, но и наследуются при делении клетки, передаваясь следующим поколениям. Эта устойчивая память критически важна для долгосрочного успеха синтетической биологии.

Запоминание последовательности событий

Новое исследование, опубликованное в журнале Science, продвинуло эту технологию дальше. Ученые создали бактериальные машины, способные запоминать порядок, в котором были «нажаты» три химические «кнопки» (сигналы).

Хотя работа находится на ранней стадии, авторы утверждают, что этот подход можно применить для изучения рака в клетках млекопитающих. Порядок, в котором происходят такие события, как мутации, может влиять на развитие болезни и реакцию опухолевых клеток на таргетную терапию.

В более широком смысле, наделение клеток долговременной памятью открывает возможности для создания сложных био-сенсоров, которые могут хранить запись клеточных событий на протяжении многих поколений. Это может фундаментально изменить подход к исследованиям старения, болезней и биологического развития, предоставив живой клетке встроенный «бортовой журнал».