Ученые создали логические схемы в живых клетках по аналогии с электроникой

Ученые из Вашингтонского университета представили новый метод обработки цифровой информации в живых клетках, аналогичный работе логических вентилей в электрических цепях. Результаты опубликованы 25 мая в Nature Communications.

Принцип работы: клеточные NOR-вентили

Команда создала набор синтетических генов, которые функционируют в клетках как NOR-вентили (логические элементы "ИЛИ-НЕ"). Как и в электронике, каждый такой элемент принимает два входа и передает положительный сигнал на выход только если оба входа отрицательны. NOR-вентили являются функционально полными: их можно комбинировать в различные схемы для создания любой логической программы.

Реализация на основе ДНК и CRISPR-Cas9

Исследователи построили эти схемы, используя ДНК вместо кремния, и разместили их внутри клеток дрожжей (eukaryotic cells).

• Каждый клеточный NOR-вентиль состоит из гена с тремя программируемыми участками ДНК: два служат входами, один — выходом.
• Для управления цепью использовалась технология CRISPR-Cas9. Белок Cas9 действует как молекулярный "привратник": он связывается с ДНК и определяет, будет ли конкретный вентиль активен.
• Если вентиль активен, он экспрессирует сигнал, который направляет Cas9 на деактивацию другого вентиля в схеме. Таким образом ученые могут "соединять" вентили, создавая логические программы внутри клетки.

Масштаб и перспективы

Созданные схемы — крупнейшие из опубликованных на сегодняшний день в эукариотических клетках. Они включали до семи NOR-вентилей, собранных последовательно или параллельно.

"Простые программы в клетках никогда не превзойдут кремниевые вычисления в скорости или точности, но генетические программы могут напрямую взаимодействовать со средой клетки", — отметил старший автор работы, профессор Эрик Клавинс.

Схемы такого масштаба способны выполнять полезные функции: обрабатывать информацию от различных сенсоров среды и принимать решение о корректном ответе. Это важный шаг к программированию живых клеток для:

• Создания инженерных иммунных клеток, чувствительных к маркерам рака.
• Разработки клеточных биосенсоров для диагностики инфекционных заболеваний.
• Контроля клеточных функций и состояний.