Моделирование клеток с помощью транзисторов
С развитием цифровых технологий мышление инженеров сместилось от аналоговых величин (непрерывных, как напряжение) к бинарной логике (0 и 1). Синтетическая и системная биология часто анализируют химические реакции в клетках по аналогии с цифровыми схемами: наличие или отсутствие вещества определяет исход.
Однако Рахул Сарпешкар, доцент кафедры электротехники Лаборатории электроники MIT (RLE), считает этот подход ошибочным. По его словам, сигналы в клетках не являются нулями и единицами — это чрезмерное упрощение.
На конференции по биомедицинским схемам и системам в Сан-Диего Сарпешкар и его коллеги из RLE представят работу, в которой для моделирования двух типов взаимодействий белков с ДНК в клетке используются аналоговые электронные схемы. Эти схемы точно воспроизводят поведение клетки, но, что важнее, делают это с гораздо меньшим числом транзисторов, чем потребовала бы цифровая модель.
Оттенки вместо чёрного и белого
Транзистор — это, по сути, переключатель. В цифровых чипах его состояния (включён/выключен) представляют 0 и 1. Однако при переключении транзистор проходит через все промежуточные состояния проводимости — подобно тому, как автомобиль разгоняется от 0 до 60 км/ч. Именно эти состояния пытаются использовать исследователи.
"Если уровень глюкозы повышается, [клетка] производит больше инсулина. Если немного снижается — производит меньше. Это градуированный ответ, а не логический вентиль", — объясняет Сарпешкар.
Рассматриваемый как аналоговое устройство, один транзистор имеет бесконечный диапазон проводимостей и может моделировать непрерывный диапазон химических концентраций. В бинарной же логике для моделирования множества концентраций потребовался бы целый банк транзисторов. Для больших схем, моделирующих последовательности реакций, цифровая логика быстро становится непомерно сложной, а аналоговая — нет. Более того, аналоговые схемы используют те же физические явления, что и клеточные механизмы.
Валидация подхода
Исследователи провели биологические эксперименты, измеряя эффекты постепенного увеличения концентраций двух разных белков в клетке. Оба белка запускают производство других белков, но разными способами:
- Один связывается с ДНК и напрямую увеличивает производство белка.
- Другой деактивирует белок, подавляющий производство.
Оба процесса были смоделированы с помощью схем, содержащих всего по восемь транзисторов каждая. Схемы оказались зеркальным отражением друг друга, что отражает разницу между прямой активацией и деактивацией супрессора. Моделирование взаимодействий генов и белков получилось высокоточным.
Герт Коувенбергс, профессор биоинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего, отмечает, что использование одного транзистора для реализации целого уравнения — это прорыв. Аналоговые схемы, в которых заложены те же термодинамические принципы и шумы, что и в биологических системах, могут стать хорошей платформой для их моделирования.
Он добавляет, что для создания полезных биологам моделей генетических схем потребуется более сложная работа, включающая как инженерные решения, так и точные данные от биологов о химических концентрациях в клетке. Однако между этими областями определённо существует синергия.