Генные схемы позволяют живым клеткам выполнять сложные аналоговые и цифровые вычисления

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".

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.

Читайте также: Полеты на Марс станут возможными через 15 лет

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.