Молекулярная алгебра в клетках млекопитающих

Швейцарские исследователи создали в клетках млекопитающих сложную генетическую сеть, способную выполнять логические вычисления, подобно электронному калькулятору.

Калькулятор с модульной структурой

Команда под руководством профессора Мартина Фусенеггера из ETH Zurich сконструировала генную сеть, которая может выполнять логические операции и инициировать определённые метаболические процессы. Учёные разработали набор биологических элементов — «логических вентилей» (logic gates), — которые можно комбинировать. В качестве входных сигналов используются молекула флоретина (phloretin) и антибиотик эритромицин (erythromycin). Вычисления основаны на булевой логике.

Например, вентиль AND (И) активирует образование флуоресцентного белка (клетка светится) только при одновременном присутствии обоих входных сигналов — флоретина и эритромицина. Если отсутствует один из них, клетка не светится.

Первый «истинный» программируемый клеточный калькулятор

Комбинируя несколько логических вентилей, биотехнологи получили полусумматор (half-adder) и полувычитатель (half-subtractor) — центральные элементы компьютерной техники для сложения и вычитания двоичных чисел. В экспериментах эти био-компьютерные компоненты показали стабильные результаты.

«Комбинируя несколько логических вентилей, мы достигли беспрецедентного уровня сложности в синтетической генной сети внутри клеток», — подчёркивает профессор Фусенеггер. Важно, что био-калькулятор может параллельно обрабатывать два разных входных и выходных сигнала, что отличает его от цифровой электроники, работающей только с электронами.

«Конечно, наш клеточный калькулятор далёк по эффективности от ПК, — говорит профессор. — Но по своей природе клетка может параллельно обрабатывать множество различных метаболитов». Хотя биологический калькулятор пока способен выполнять только базовые двоичные арифметические операции, «замечательно, что клетка млекопитающего может так вычислять».

Новая система превосходит предыдущие разработки в дрожжах и бактериях, так как всё собрано в одной клетке млекопитающего, которая значительно сложнее.

Возможные будущие применения

Исследователи приблизились к терапевтическому применению. Профессор Фусенеггер считает, что в отдалённом будущем имплантированные клеточные калькуляторы смогут отслеживать метаболизм пациента и при необходимости вмешиваться. Например, для пациентов с диабетом можно создать схему, распознающую связанные с болезнью метаболиты и контролирующую высвобождение терапевтических веществ, таких как инсулин. Однако до такого применения ещё далеко.

Идея клеточного калькулятора принадлежит докторанту Саймону Ауслендеру. В лаборатории Фусенеггера она упала на благодатную почву, так как необходимые компоненты для сборки уже были в «инструментарии» синтетической биологии.