Виртуальная реальность для бактерий

Ученые из Института науки и технологий Австрии (IST Austria) научились управлять поведением отдельных бактерий, подключив их к компьютеру. Междисциплинарная команда, включая биолога-экспериментатора Реми Шая и математика Якоба Рюсса, а также профессоров Калина Гуэта и Гаспера Ткачика, использовала эту установку для создания генетической схемы, которая частично живая, а частично цифровая. В экспериментальном доказательстве концепции они заставили экспрессию генов в бактериях колебаться и контролировали паттерны этих колебаний, настраивая цифровую связь между отдельными бактериями. Потенциальное применение такой гибридной био-цифровой технологии может позволить «отлаживать» сложные биологические системы так же, как сложные компьютерные коды: тестируя каждую часть по отдельности, моделируя её окружение в форме виртуальной реальности.

Проблема синтетической биологии

Когда синтетические биологи хотят создать микроорганизм, способный выполнять определенную задачу (например, производить лекарство от рака или антибиотик), им приходится вносить множество изменений в исходный организм. Каждое изменение имеет несколько эффектов, которые могут взаимодействовать с эффектами других изменений, искажая конечный результат. «Даже если вы понимаете, что делают отдельные части, вы не знаете, что произойдет, когда вы соберете их вместе, — объясняет Реми Шай. — Между ними возникает обратная связь, которая делает поведение полной схемы непредсказуемым».

Решение из мира IT: модульное тестирование

Потенциальное решение этой проблемы пришло из разработки программного обеспечения и называется модульным и интеграционным тестированием. В этом подходе каждый компонент тестируется отдельно, изучается его взаимодействие с окружением. Лучший способ сделать это — смоделировать окружение в виртуальном пространстве и позволить компоненту взаимодействовать с этим виртуальным миром. Именно этот метод исследователи теперь предлагают применять и к биологическим системам.

«Биологические системы сложны, и нам было бы полезно отлаживать их, как компьютерный код. При модульном и интеграционном тестировании вы моделируете окружение и подключаете каждый из компонентов по отдельности, чтобы убедиться, что они работают как задумано. Затем вы объединяете их попарно и начинаете сначала. Таким образом вы увидите, в какой момент обратная связь и интерференция начинают нарушать работу системы, и сможете соответствующим образом её скорректировать», — говорит Реми Шай. Итеративно применяя этот метод, виртуальную часть можно постепенно уменьшать, пока система снова не станет полностью биологической, но уже с нужной функцией.

Эксперимент: био-цифровой осциллятор

Исследователи продемонстрировали жизнеспособность био-цифровых гибридов на примере био-цифрового осциллятора. В их установке модифицированные клетки E. coli производят флуоресцентный белок сине-фиолетового цвета. Этот цветной свет служит интерфейсом с цифровой стороной. Каждые шесть минут компьютер измеряет, сколько света производит клетка, и накапливает виртуальную сигнальную молекулу пропорционально этому количеству. Когда сигнал превышает определенный порог, производство флуоресцентного белка в клетке отключается. Это делается с помощью проектора, который проецирует красный или зеленый свет как сигнал «выключения» или «включения» на светочувствительные клетки, тем самым связывая цифровой компонент обратно с живыми частями схемы. «Клетки взаимодействуют со смоделированной средой. То, что они делают, влияет на действия компьютера, а действия компьютера влияют на реакцию клеток. Если вы знаете Star Trek, вы наверняка слышали о Голодеке. То, что мы построили, по сути, является простым Голодеком для генов микроорганизмов».

Результаты и контроль

Когда исследователи протестировали свои гибридные схемы, популяция клеток светилась сине-фиолетовым светом — и это свечение осциллировало, хотя и с вариациями между отдельными бактериями. Но ученые хотели, чтобы бактерии колебались синхронно, поэтому они изменили цифровой компонент и настроили виртуальную сеть связи между бактериями. В этой конфигурации часть виртуального сигнала распределяется между соседями, и группа бактерий демонстрирует различные типы коллективных колебаний.

Другое применение платформы исследователей — управление с обратной связью отдельными клетками, которое направляет их по заранее заданным траекториям флуоресцентной экспрессии генов. Таким образом они смогли заставить группу клеток со временем вырисовывать картинки или буквы.