Сложная логическая схема из бактериальных генов
Логические вентили — элементарные строительные блоки цифровых компьютеров — можно создавать из различных материалов. Тэ Сок Мун (Tae Seok Moon) строит их из генов. Как постдок в лаборатории синтетического биолога Кристофера Войгта (Christopher Voigt) в MIT, он создал самую большую на сегодня генетическую схему. Теперь, будучи профессором в Вашингтонском университете в Сент-Луисе, он представил работу в журнале Nature (7 октября).
Такие схемы могут стать компонентами сконструированных клеток, которые будут отслеживать окружающую среду и реагировать на неё — например, очищать загрязнения, производить биотопливо или бороться с патогенами.
Как создать логический элемент «И» из генов
Логический вентиль имеет несколько входов и один выход, который зависит от входных сигналов. Например, элемент «И» (AND) активируется только если все его входы активны.
Гены включаются или выключаются, когда фактор транскрипции связывается с промотором. Чтобы создать генетический элемент «И», нужен ген, активация которого контролируется как минимум двумя молекулами. Такой элемент был найден в бактерии Salmonella typhimurium. В этой схеме фактор транскрипции может связаться с промотором гена только в присутствии молекулы-шаперона. Это создало основу для двухвходового элемента «И».
Созданная Мун схема включает четыре сенсора для четырёх разных молекул, которые подключены к трём двухвходовым элементам «И». Если присутствуют все четыре молекулы, активируются все три элемента, и последний производит репортёрный белок, флуоресцирующий красным.
В будущем такая синтетическая бактерия могла бы, например, чувствовать четыре разных показателя рака и в их присутствии высвобождать фактор, уничтожающий опухоль.
Проблемы «перекрёстных помех» и синхронизации
Биологические логические элементы — гибкие молекулы — принципиально отличаются от электронных диодов и транзисторов.
Перекрёстные помехи (crosstalk): Молекулы одного вентиля не должны связываться с молекулами другого. Внутри клетки, напоминающей «суп» со свободным перемешиванием молекул, это серьёзная проблема.
- Решение: Мун взял части для своих вентилей из трёх разных штаммов бактерий: Shigella flexneri, Pseudomonas aeruginosa и Salmonella. Чтобы ещё больше снизить помехи, он подверг эти части ошибочному копированию и отобрал варианты, менее склонные к перекрёстным помехам, но сохранившие функциональность.
Сбои синхронизации (timing faults): Биологические схемы не имеют внутренних часов. Если сигналы проходят через слои логических элементов с разной скоростью, результат может быть ошибочным.
- Решение: В созданной схеме такие сбои не обнаружены. Вероятно, потому что шапероны для одного слоя вентилей деградируют до того, как генерируются факторы транскрипции для следующего слоя, что навязывает схеме определённый ритм.
Захват контроля над бактерией
«Мы не пытаемся построить компьютер из биологических логических элементов. Так компьютер не построить. Вместо этого мы пытаемся создать контроллеры, которые позволят нам простым, программируемым способом получить доступ ко всем возможностям биологических организмов», — говорит Мун.
Он видит клетку как систему из сенсора, контроллера (логической схемы) и исполнительного механизма (актуатора). Выход контроллера в будущем будет управлять актуатором, который сможет воздействовать на окружение клетки.
Пример: синтетическая бактерия, созданная коллегой Муна, чувствует сигнальные молекулы патогена Pseudomonas aeruginosa. При достижении определённой концентрации бактерия вырабатывает токсин и белок, заставляющий её разрываться, высвобождая токсин и убивая nearby P. aeruginosa.
«Кремний на такое не способен», — отмечает Мун.