Исследователи из Массачусетского технологического
института разработали своего рода синтетические генные "схемы" в
которых реализована комбинация технологий аналоговых (непрерывных) и цифровых
(дискретных) вычислений.
Внедрение таких схем в генетический код живых клеток
позволит этим клеткам выполнять сложные операции по обработке данных и на их
основе производить различные запрограммированные действия, к примеру, выпускать
соответствующий лекарственный препарат при понижении уровня глюкозы ниже
некоторого установленного значения.
Подобно электронным схемам, живые клетки способны
самостоятельно выполнять некоторые вычисления в непрерывном (аналоговом) или
дискретном (цифровом) режимах. Примером аналоговых "вычислений"
является функция приспособления клеток глаза к изменениям уровня освещенности,
а цифровых - смерть (апоптоз) клетки в ответ на изменения некоторых условий
окружающей среды. Ученые уже давно экспериментируют с созданием искусственных
вычислительных "схем" встраиваемых в живые клетки, но в большинстве
случаев ученым удается реализовать или только цифровые или только аналоговые
методы вычислений.
Основу цифровых систем составляет простой двоичный код,
состоящий из последовательности 0 и 1. При таком подходе для выполнения сложных
вычислительных операций требуются схемы, состоящие из большого количества
элементов, выполняющих различные базовые логические функции - AND, OR, XOR,
NOT, NAND, NOR и XNOR. И такие схемы достаточно сложно создать на биологическом
уровне.
Используя участки синтетической ДНК, ученые-биологи
могут создавать схемы, выполняющие функции, выходящие за пределы приведенного
выше ряда базовых логических функций. "Большая часть работы в области
синтетической биологии была сосредоточена на цифровых вычислениях из-за того,
что такой подход позволяет программировать клетки достаточно легко" -
рассказывает Тимоти Лу (Timothy Lu), профессор из Массачусетского
технологического института, - "Разработанные нами генетические схемы
позволяют измерять уровни "аналоговых" сигналов, к примеру, концентрации
определенного вещества. И на основе этих данных схема может выполнить действие,
результат которого может быть выдан опять в аналоговом виде, к примеру, в виде
количества выпускаемого лекарственного препарата, или в цифровом - смерть
пораженной заболеванием клетки".
Генетическая схема
Новые генетические схемы имеют достаточно сложное
строение. Первой обязательной их частью является "датчик", измеряющий
концентрацию определенного вещества или другие параметры окружающей среды.
Сигнал с этого датчика оказывает влияние на ген рекомбиназы, который активирует
или деактивирует определенные участки ДНК, которые, в свою очередь,
вырабатывают или цифровой или аналоговый выходной сигнал. Ближайшим аналогом из
мира электроники такой цепочки является цифровой компаратор.
На базе таких примитивных элементов-компараторов ученые
создали более сложное устройство, аналогово-цифровой преобразователь (АЦП),
который выполняет преобразование аналогового сигнала в цифровой на базе
троичной логики. В будущем такие устройства смогут обнаруживать изменения
концентрации веществ в крови и вырабатывать три или большее количество
вариантов действий. К примеру, если уровень глюкозы в крови слишком высок, то
клетки могут выработать и выпустить инсулин, если концентрация глюкозы слишком
низка, то клеткам необходимо вырабатывать глюкагон. А если концентрация глюкозы
находится в норме, то и делать ничего не надо.
Подобные генные схемы могут быть встроены не только в
клетки нормальных тканей, превращая их в фабрики по производству лекарственных
препаратов. Точно такой же подход может быть использован для программирования
имунноцитов, клеток иммунной системы. Получив схемы с датчиками различных
типов, имунные клетки могут производить анализ уровней кислорода и других
симптомов онкологических заболеваний. И, в зависимости от этих уровней
имунноциты смогут выбирать тот или иной метод воздействия на больные клетки,
вплоть до их полного уничтожения.
