Живые клетки постоянно обрабатывают информацию — они отслеживают изменения мира вокруг и реагируют на них. Для того, чтобы сложились методы обработки информации на клеточном уровне, потребовались миллиарды лет эволюции. Созданные людьми микрочипы, на которых работают компьютеры, для обработки информации преобразовывают её в однозначно понимаемые нули и единицы. В клетках всё не так. ДНК, белки, жиры и сахара работают комплексно.
Но учёные хотят использовать возможность клетки быть «живым компьютером», который поможет создавать новые средства терапии, эффективно производить биотопливо или другие полезные органические вещества, и не могут ждать, когда эволюция создаст желаемую клеточную систему.
В статье, опубликованной 25 мая в журнале Nature Communications, научная группа из Вашингтонского университета (University of Washington) продемонстрировала новый метод цифровой обработки информации в живой клетке — аналог логических элементов, используемых в электрических цепях. Это набор синтетических генов, которые функционируют в клетках, как логический элемент ИЛИ-НЕ (англ. NOR gate), широко используемый в электронике. Это элемент, который имеет два входа и на выходе даёт положительный сигнал, если оба входящих значения отрицательные. Используя только этот элемент (известен как «стрелка Пирса»), можно построить все остальные элементы для совершения логических операций.
В качестве «монтажного стола» для создания логического элемента, построенного на основе ДНК, использовались дрожжевые клетки.
«Хотя реализация простых программ в клетке никогда не сможет соперничать в скорости и точности вычислений с кремнием, генетические программы могут взаимодействовать с окружающей средой клетки непосредственно, — рассказывает старший автор публикации, профессор электротехники Университета Вашингтона Эрик Клавинс (Eric Klavins). — Например, перепрограммированные клетки пациента могут совершать определённые терапевтические действия в самых важных тканях».
Каждый логический элемент ИЛИ-НЕ в клетке состоит из гена с тремя запрограммированными участками ДНК — два в качестве входов, и один выход. Авторы воспользовались методом CRISPR/Cas9 для внедрения этих конкретных последовательностей в ДНК внутри клетки. Исследователям удалось внедрить в клетку до семи элементов ИЛИ-НЕ, расположенных как параллельно, так и последовательно.
Таким образом, показана возможность создания схем, которые смогут выполнять полезные действия — получать информацию об окружающей среде от различных датчиков и выполнять расчёты для поиска правильного ответа. Можно представить появление в будущем искусственных иммунных клеток, которые могут распознавать и реагировать на онкомаркеры или клеточных биосенсоров, которые смогут легко диагностировать инфекционные заболевания в ткани пациента.