Ученые запрограммировали клетки запоминать и реагировать на серию стимулов
Инженеры MIT запрограммировали клетки запоминать и реагировать на серию событий в правильном порядке. Клетки могут запомнить до трех различных входных сигналов, и подход масштабируем для большего числа стимулов.
Биологические "автоматы состояний"
Система позволяет создавать биологические "автоматы состояний" — устройства, которые находятся в разных состояниях в зависимости от типа и порядка полученных входных данных. Для этого используются ферменты рекомбиназы.
Когда рекомбиназа активируется конкретным химическим сигналом в клетке, она либо удаляет, либо инвертирует определенный участок ДНК, в зависимости от ориентации сайтов узнавания. Участок ДНК между этими сайтами может содержать сайты для других рекомбиназ, реагирующих на другие входные данные. Таким образом, история клетки может быть определена путем секвенирования ее ДНК.
- В простейшей системе с двумя входами возможно 5 состояний: ни одного входа, только A, только B, A затем B, B затем A.
- В системе с тремя входами возможно 16 состояний.
Контроль экспрессии генов
Исследователи также включили гены в массив сайтов связывания рекомбиназ. Когда рекомбиназы перестраивают ДНК, схемы не только записывают информацию, но и контролируют, какие гены включаются или выключаются.
Например, они протестировали схему с тремя генами флуоресцентных белков (зеленый, красный, синий). Клетки, получившие вход A, а затем B, флуоресцировали красным и зеленым, а клетки, получившие B перед A — красным и синим.
Перспективы применения
Подход открывает возможности для:
- Изучения клеточных процессов, контролируемых серией событий (например, появление цитокинов).
- Отслеживания дифференцировки стволовых клеток.
- Исследования прогрессирования заболеваний, таких как рак, где порядок мутаций может влиять на поведение болезни и реакцию на лекарства.
- Программирования клеточных функций и путей дифференцировки.
"Идея о том, что мы можем записывать и реагировать не только на комбинации биологических событий, но и на их порядок, открывает множество потенциальных приложений", — говорит ведущий автор Натаниэль Роке.