Инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) создали в бактериальных клетках генетические схемы, которые не только выполняют логические функции, но и запоминают результаты операций. Они кодируются в клеточной ДНК и наследуются в десятках поколений.

Подобные конструкции, описанные в онлайновом номере Nature Biotechnology за 10 февраля, смогут быть использованы, например, в датчиках, для контроля различных параметров окружающей среды или процессов биопроизводства топлива либо лекарственных препаратов.

«Почти все предшествующие работы в области синтетической биологии фокусировались только на логических компонентах или на модулях памяти, — комментирует один из соавторов статьи, адьюнкт-профессор MIT Тимоти Лу (Timothy Lu). — Мы исходили из положения, что сложные вычисления требуют сочетания логики с памятью.»

Синтетическая биология использует сменные фрагменты генетических последовательностей для конструирования схем, выполняющих заданные функции, такие как детектирование присутствия определенного химического вещества в окружающей среде. Появление химиката вызывает реакцию цепочки, выражающуюся, например, в производстве зеленого флуоресцентного протеина (green fluorescent protein, GFP). Генетические цепи также могут действовать как Булевы логические модули AND и OR, и, благодаря этому, параллельно откликаться множество входных условий.

Le с коллегами также поставил целью создание генных схем, которые не отключались бы после прекращения действия стимула, то есть, обладали бы своего рода памятью. Для этого были использованы ферменты, известные как рекомбиназы: они могут вырезать фрагменты ДНК, разворачивать и переставлять их. Последовательная активация этих энзимов позволяет схемам считать события, происходящие внутри клетки.

В предложенной конструкции функция памяти встроена непосредственно в логический затвор. В типичном клеточном модуле AND при выполнении двух необходимых входных условий происходит активация экспрессирующего белка. Кроме того, происходит устойчивое видоизменение областей ДНК, управляющих производством GFP. Эти области, называемые промоутерами, задействуют клеточные протеины, отвечающие за переписывание гена GFP в информационную молекулу РНК, которая затем контролирует сборку флуоресцентного белка. Содержимое памяти логического затвора сохраняется в цепочке ДНК на протяжении не менее 90 поколений и может быть считана путем измерения выхода GFP. Различным дискретным входным событиям сопоставляется один общий выходной аналоговый сигнал, который суммирует все, что происходит в клетке. Даже если клетка умирает, информацию все равно можно извлечь, секвенсируя ее ДНК.

Предложенная платформа также может применяться для точного контроля за стволовыми клетками, по мере того, как они перерождаются в клетки других типов.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365