По своей сути клетки представляют собой микроскопические компьютеры: они принимают и отправляют исходящие и входящие данные по такому же принципу. Если вы сделаете глоток фраппучино, уровень сахара в крови повысится, и в клетки вашей поджелудочной железы поступит сигнал: больше инсулина. В настоящее время клеточная информатика уже становится не просто удобной метафорой. Журналисты Wired сообщили о последних достижениях научного мира в вопросе программирования так называемых «генетических микросхем».
Для установления контроля над работой живых клеток биологи взламывают их не первый десяток лет, подыскивая всевозможные для этого способы. Они стремятся найти подход к взаимодействию с природой как с разработчиком программного обеспечения для жизни на планете Земля, постепенно занимаясь редактированием клеточных алгоритмов — тех, которые мы привыкли называть ДНК. Есть вероятность, что в ближайшем будущем в этой области нас ожидает прорыв.
Недавно учеными опубликована работа, в рамках которой им удалось перепрограммировать человеческие клетки на 109 различных логических инструкций. Эти клетки могут выполнять инструкции, используя для этого белок рекомбиназу, который способен отрезать, сплавлять или перетасовать сегменты ДНК. Такие белки распознают определенные положения на нити ДНК и нацеливаются на них. Учёные обнаружили способ, как можно активировать их деятельность. От того, возникает или не возникает активность рекомбиназы, будет зависеть, сможет ли клетка вырабатывать белок, который закодирован в сегменте ДНК.
К примеру, клетка может быть запрограммирована на то, чтобы она при получении сигнала чего-то не делала. Посредством такой логической инструкции исследователи создали клетки, которые способны светиться при поступлении соответствующей команды. Возглавляющий это исследование биолог Бостонского университета Уилсон Вонг такие запрограммированные клетки называет «генетическими микросхемами».
Это работает следующим образом: при содержании в составе клетки специфического белка рекомбиназы ДНК, она не вырабатывает голубой флуоресцентный белок, заставляющий ее светиться. Однако при отсутствии этого фермента в клетке она получает команду — светиться. Есть возможность задать инструкции и более сложного содержания, к примеру, начинать светиться при наличии более длительного набора условий.
Такие светящиеся клетки, по словам Вонга, могут быть использованы для диагностики заболеваний. Для этого их можно будет активировать протеинами, которые связаны с конкретными заболеваниями. Если при смешивании таких клеток с пробами крови пациента они начнут светиться, это означает, что пациент болен. Стоимость указанного метода диагностики будет значительно ниже, чем применение методов, при которых задействуется специальное существующее сегодня оборудование.
Но это лишь один пример. Главное открытие заключается в том, что клетки способны правильно понимать и выполнять указания. Биолог Университета Миннесоты Кэйт Адамала, также принимавшая участие в исследовании, сравнивает это достижение науки с прототипированием электроники. Каждому изобретателю известно, что первым шагом в построении сложной микросхемы на Arduino является умение заставить лампочку мигать по команде.
Программируемые клетки помимо борьбы с заболеваниями можно также использовать для изготовления полезных химических веществ. К примеру, используя эту методику, бостонская компания Ginkgo Bioworks научилась производить ароматы, которые она реализует парфюмерным компаниям. Для питания особых дрожжей сахаром, применяют такой же принцип, как и для питания пивных, но если последние производят алкоголь, то первые в отличие от них - молекулы ароматов. И хотя этот метод несовершенен, а клетки с течением времени мутируют и перестают выполнять работу должным образом, ученые утверждают, что их можно запрограммировать на самоуничтожение, прежде чем они испортят всю партию, чтобы они самостоятельно ликвидировались именно в тот момент, когда в работе происходит сбой.
В вопросе программирования «генетических микросхем» группа Вонга не первая, однако именно она смогла прийти к продолжительному успеху. Из 113 изготовленных группой схем 109 являются действующими. Уилсон Вонг отмечает, что исходя из его опыта, если схемы построенные изобретателем работают 25% времени — это уже является большим везением.
После того как ученые освоили работу базовых генетических схем, их следующим шагом должно стать повторение успеха на различных типах клеток. Однако это сделать не так просто: четких механизмов включения и выключения, как у электронных микросхем, ДНК не имеют. В клетках Вонга доступна возможность отключения выработки специфического белка, путём изменения сегмента ДНК, с закодированными соответствующими инструкциями. Этот способ не всегда действующий, поскольку природа некоторые из инструкций могла закодировать в двух экземплярах. Говоря другими словами: просто так взять и «продебажить» три миллиарда лет эволюции не получится.
Также интересно вспомнить тот факт, что научный мир научился ДНК использовать как «флешку» для длительного хранения данных.
