Клеточные схемы помнят свою историю: инженеры создают новые синтетические биологические схемы, объединяющие память и логику

Инженеры MIT создали генетические схемы в бактериальных клетках, которые не только выполняют логические функции, но и запоминают результаты. Эта память кодируется в ДНК клетки и передается десяткам последующих поколений.

Схемы, описанные в онлайн-выпуске Nature Biotechnology от 10 февраля, могут использоваться как долгосрочные сенсоры окружающей среды, эффективные системы управления в биопроизводстве или для программирования дифференцировки стволовых клеток.

"Почти вся предыдущая работа в синтетической биологии была сосредоточена либо на логических компонентах, либо на модулях памяти, которые просто кодируют память. Мы считаем, что сложные вычисления потребуют объединения как логики, так и памяти, и именно поэтому мы построили эту конкретную структуру", — говорит Тимоти Лу, старший автор статьи.

Больше, чем логика

Синтетические биологи используют взаимозаменяемые генетические части для создания схем, выполняющих определенную функцию, например, обнаружение химического вещества. В таких схемах целевое химическое вещество генерирует специфический ответ, например, производство зеленого флуоресцентного белка (GFP).

Схемы также могут быть разработаны для любых булевых логических функций, таких как элементы И (AND) и ИЛИ (OR). Используя такие элементы, схемы могут обнаруживать несколько входных сигналов. Однако в большинстве ранее созданных клеточных логических схем конечный продукт вырабатывается только при наличии исходных стимулов.

Лу и его коллеги решили создать схему, которая будет необратимо изменяться исходным стимулом, создавая постоянную память о событии. Для этого они использовали схемы памяти, разработанные в 2009 году. Эти схемы зависят от ферментов — рекомбиназ, которые могут вырезать, переворачивать или вставлять участки ДНК.

В новых схемах функция памяти встроена в сам логический элемент. Например, в одной из схем два терминаторных участка ДНК расположены между промотором и выходным геном (GFP). Каждый из этих терминаторов ингибирует транскрипцию выходного гена и может быть перевернут (инактивирован) определенной рекомбиназой.

Каждый из двух входных сигналов схемы включает производство одной из рекомбиназ, необходимых для переворота терминатора. В отсутствие любого из входных сигналов производство GFP блокируется. Если присутствуют оба, оба терминатора переворачиваются, что приводит к их инактивации и последующему производству GFP.

После переворота терминаторные последовательности ДНК не могут вернуться в исходное состояние — память об активации логического элемента постоянно хранится в последовательности ДНК. Эта последовательность также передается как минимум 90 поколениям. Ученые могут считать историю клетки, измерив ее выходной сигнал GFP (который будет непрерывно включен) или, если клетка погибла, секвенировав ее ДНК.

Используя эту стратегию, исследователи могут создавать все двухвходовые логические элементы и реализовывать системы последовательной логики. "Это действительно легко менять", — говорит Лу.

Долговременная память

Такие схемы также можно использовать для создания цифро-аналогового преобразователя. Этот тип схемы принимает цифровые входные данные (например, наличие или отсутствие отдельных химических веществ) и преобразует их в аналоговый выход — диапазон значений, таких как непрерывные уровни экспрессии гена.

Например, если в клетке есть две схемы, каждая из которых экспрессирует GFP на разных уровнях при активации своим специфическим входным сигналом, эти входы могут производить четыре различных уровня аналогового выхода. Более того, измеряя количество произведенного GFP, исследователи могут определить, какие входные сигналы присутствовали.

Этот тип схемы может обеспечить лучший контроль над производством клеток, генерирующих биотопливо, лекарства или другие полезные соединения. Клетки и их потомство всегда будут помнить запрограммированный уровень производства, без необходимости в дополнительной информации.

Используемые в качестве экологических сенсоров, такие схемы также могут обеспечивать очень точную долгосрочную память. "У вас могут быть разные цифровые сигналы, которые вы хотите отслеживать, и всего один аналоговый выход, который суммирует все, что происходило внутри", — говорит Лу.

Эта платформа также может позволить ученым более точно контролировать судьбу стволовых клеток по мере их дифференцировки в другие типы клеток. Лу сейчас работает над созданием клеток, которые следуют последовательным этапам развития в зависимости от получаемых сигналов из окружающей среды.

Майкл Джуэтт из Северо-Западного университета отмечает, что новый дизайн представляет собой "огромный прогресс в хранении памяти, закодированной в ДНК".