Гибридные генетические схемы в живых клетках выполняют сложные вычисления
Живые клетки способны выполнять сложные вычисления на основе сигналов окружающей среды. Эти вычисления могут быть аналоговыми (непрерывными, как адаптация глаз к свету) или цифровыми (дискретными, по принципу "включено/выключено", как запуск апоптоза).
Синтетические биологические системы обычно фокусировались только на одном из этих типов обработки, что ограничивало их применение. Исследователи из MIT разработали технику интеграции аналоговой и цифровой обработки в живых клетках, создав генетические схемы для сложных операций.
Схемы, описанные в Nature Communications, могут измерять уровень аналогового входного сигнала (например, концентрацию химического вещества, связанного с болезнью) и решать, находится ли он в нужном диапазоне, чтобы активировать выходной сигнал (например, производство лекарства). Они действуют как компараторы, преобразующие аналоговый вход в цифровой выход.
Ведущий исследователь Тимоти Лу поясняет, что цифровые системы в синтетической биологии программировать проще, но для сложных операций требуется много компонентов, что трудно реализовать в биологии, в отличие от электроники с миллиардами транзисторов.
Устройство смешанного сигнала состоит из:
- Порогового модуля — сенсора, определяющего аналоговый уровень химического вещества.
- Гена рекомбиназы — активируемого пороговым модулем, он может "переворачивать" сегмент ДНК, преобразуя сигнал в цифровой выход (0 или 1).
- Сегмента ДНК — содержащего ген или регуляторный элемент, который изменяет экспрессию желаемого выходного сигнала.
Команда уже создала аналого-цифровой преобразователь, реализующий тернарную логику: схема активируется только в ответ на высокую или низкую концентрацию входного сигнала и способна производить два разных выхода.
Перспективные применения:
- Медицина: Детекция уровня глюкозы в крови с выработкой инсулина, глюкагона или бездействием в зависимости от концентрации. Лечение воспалительных заболеваний кишечника с дозированным высвобождением лекарства. Инженерия иммунных клеток для терапии рака с учетом уровня кислорода или лизиса опухоли.
- Экология: Создание клеток для детекции загрязнителей воды.
На основе технологии создан стартап Synlogic, который разрабатывает пробиотические бактерии с простыми версиями схем для лечения заболеваний кишечника. Клинические испытания могут начаться в течение 12 месяцев.