Биологический транзистор: «Генетическая схема» позволяет производить вычисления внутри живых клеток
Команда биоинженеров из Стэнфордского университета создала биологический транзистор из генетического материала — ДНК и РНК. Устройство, названное транскриптором, описано в статье, которая будет опубликована 28 марта в журнале Science.
Транскриптор — это ключевой компонент для усиления генетической логики, аналогичный транзистору в электронике. Он позволяет производить вычисления внутри живых клеток, например, записывать, когда клетки подвергались воздействию определённых внешних стимулов, или контролировать размножение клеток.
«Биологические компьютеры можно использовать для изучения и перепрограммирования живых систем, мониторинга окружающей среды и улучшения клеточной терапии», — говорит Дрю Энди, PhD, старший автор статьи.
Как работает биологический компьютер
В электронике транзистор управляет потоком электронов. В биологической системе транскриптор контролирует поток фермента РНК-полимеразы вдоль цепи ДНК.
«Мы перепрофилировали группу природных белков, называемых интегразами, чтобы обеспечить цифровой контроль над потоком РНК-полимеразы вдоль ДНК, что, в свою очередь, позволило нам создать усилительную генетическую логику», — поясняет Энди.
На основе транскрипторов команда создала логические вентили, способные давать ответы «истина/ложь» на практически любой биохимический вопрос внутри клетки. Эти вентили названы BIL-вентилями (Boolean Integrase Logic).
Транскриптор стал третьим и завершающим компонентом полноценного биологического компьютера, способного работать внутри отдельных живых клеток. Ранее команда уже разработала два других:
- Перезаписываемое цифровое хранилище данных в ДНК.
- Механизм передачи генетической информации от клетки к клетке («биологический интернет»).
Применение и потенциал
BIL-вентили, основанные на булевой логике (И, ИЛИ), позволяют клетке анализировать комбинации внешних сигналов. Например, можно определить, подвергалась ли клетка воздействию глюкозы и кофеина, и записать эту информацию.
Также можно запрограммировать клетку начинать или прекращать деление при определённых условиях. А при объединении с «биологическим интернетом» появляется возможность координировать поведение целых групп клеток.
«Потенциальные применения ограничены только воображением исследователя», — отмечает соавтор Моника Ортис.
Техническая сторона: выбор ферментов и усиление сигнала
Для создания транскрипторов и вентилей команда использовала тщательно подобранные комбинации интеграз. Важно, что выбранные ферменты работают в бактериях, грибах, растениях и животных, что позволяет создавать биокомпьютеры в различных организмах.
Ключевое сходство биологического транзистора с полупроводниковым — усиление сигнала. Малое изменение в экспрессии интегразы вызывает большое изменение в экспрессии двух других генов. Это аналогично усилению слабого радиосигнала в транзисторном радиоприёмнике.
Открытый доступ
Чтобы ускорить развитие биологических вычислений, команда Энди разместила все разработки BIL-вентилей в открытом доступе (public domain).
«Большая часть биотехнологий ещё даже не придумана, не говоря уже о реализации. Свободно делясь важными базовыми инструментами, все могут работать лучше вместе», — заявил Жером Бонне, PhD, ведущий автор статьи.