Аналогово-цифровые преобразователи на основе ДНК
Генные «схемы» позволяют живым клеткам выполнять сложные аналоговые и цифровые вычисления
DailyTechInfo по материалам KurzweilAI: Gene circuits in live cells that perform complex analog/digital computations
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.
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.
На рисунке из статьи Rubens et al. Synthetic mixed-signal computation in living cells (Nature Communications, 2016) – пример попроще: синтез заданного белка при разной концентрации двух сигнальных веществ.
Слева – процент клеток, экспрессирующих зеленый флуоресцентный белок (GFP) в зависимости от концентраци перекиси водорода при наличии (черные квадраты) и отсутствии (красные круги) в культуральной среде ангидротетрациклина (aTc).
Справа – схема работы обеспечивающего этот механизм генного аналогово-цифровой преобразователя – ВМ.
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 клеток иммунной системы. Получив схемы с датчиками различных типов, иммунные клетки могут производить анализ уровней кислорода и других симптомов онкологических заболеваний. И, в зависимости от этих уровней, смогут выбирать тот или иной метод воздействия на больные клетки, вплоть до их полного уничтожения.
Сейчас исследователи из Массачусетского технологического института организовали компанию под названием Synlogic, специалисты которой занимаются проектированием простых генных схем, которые будут внедряться в генетический код полезных для человеческого организма видов бактерий. После такого внедрения эти бактерии смогут самостоятельно бороться с заболеваниями и вредоносными бактериями, живущими в кишечнике человека. И первые клинические испытания основанного на бактериях метода лечения начнутся в течение следующего года.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru 23.06.2016