Программируемые лекарства — цель нового исследования биоэлектрических цепей
В области синтетической биологии создание базовых компонентов, таких как логические вентили и генетические часы, позволило проектировать всё более сложные схемы, способные решать математические задачи, создавать автономных роботов и играть в интерактивные игры. Исследователи из Технологического института Джорджии используют накопленные знания о биоцепях, чтобы заложить основу для будущего программируемой медицины.
Эти программируемые лекарства, внешне похожие на обычный прозрачный раствор в небольшом флаконе, будут напрямую взаимодействовать с нашими биологическими системами. Они смогут динамически реагировать на информацию, циркулирующую в организме, и автоматически доставлять нужные дозы туда и тогда, где и когда это необходимо. Такие лекарства будущего могли бы даже постоянно находиться внутри нас, борясь с инфекциями, выявляя рак и другие заболевания, по сути становясь терапевтическим биологическим продолжением нас самих.
До этого ещё далеко, но работа лаборатории Гейба Квонга приближает нас к этой цели, разрабатывая «ферментные компьютеры» — спроектированные биоэлектрические цепи из биологических компонентов, способные расширять и усиливать функции живых систем.
«Долгосрочная цель — это концепция программируемого иммунитета», — заявил Квонг, доцент кафедры биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Коултера в Технологическом институте Джорджии и Университете Эмори. Он работал вместе с исследователем Брэндоном Холтом над статьёй «Протеазные цепи для обработки биологической информации», опубликованной 6 октября в журнале Nature Communications. Исследование финансировалось Национальными институтами здравоохранения (NIH).
История этой публикации началась два года назад. «В нашей лаборатории богатая история разработки диагностических систем на основе ферментов; в итоге мы начали рассматривать эти системы как компьютеры, что привело нас к проектированию простых логических вентилей, таких как И (AND) и ИЛИ (OR)», — сказал Холт. «Этот проект развивался органически, и мы поняли, что можем создавать и другие устройства, например, компараторы и аналого-цифровые преобразователи. В конечном счёте это привело к идее взять такой преобразователь и использовать его для оцифровки бактериальной активности».
В итоге они собрали бесклеточные биоэлектрические цепи, которые можно комбинировать с заражённой бактериями кровью. «Основная идея заключалась в том, чтобы они количественно определяли бактериальную инфекцию — количество бактерий — затем рассчитывали и высвобождали селективную дозу лекарства, практически в реальном времени», — пояснил Холт, аспирант Лаборатории синтетического иммунитета Квонга и ведущий автор статьи.
Исследователи стремились сконструировать биоэлектрические цепи, которые используют активность протеаз для обработки биологической информации в цифровой или аналоговой системе (протеазы — это ферменты, расщепляющие белки на более мелкие полипептиды и аминокислоты). Команда создала свой аналого-цифровой преобразователь с помощью крошечного устройства, состоящего только из биологических материалов, которое преобразовывало сигналы от бактерий в единицы и нули. Затем цепь использовала эти числа для выбора правильной дозы лекарства, необходимой для уничтожения бактерий без передозировки.
Это традиционный подход — биоэлектрические цепи оцифровывают молекулярные сигналы, позволяя выполнять операции с помощью булевой логики. Вторая часть новой работы команды использует более тонкий подход, сосредоточившись на аналоговых, а не цифровых схемах. «Мы рассматриваем активность протеаз как многозначную, как сигналы между единицей и нулём», — сказал Холт.
Этот многозначный подход привёл к ещё одной идее и, в конечном итоге, к более широкой картине аналоговых биоэлектрических цепей.
«Нас соблазнила идея нечёткой логики (fuzzy logic), где можно подумать, что происходит, если сигнал находится между нулём и единицей», — добавил он. «Это больше похоже на аналоговую схему. Мы были действительно вдохновлены этой концепцией, поэтому решили построить аналоговые биоэлектрические цепи из тех же базовых материалов, что и раньше — протеаз и пептидов. И нам удалось решить математическую оракульную задачу Learning Parity with Noise».
Способность обрабатывать информацию из биомолекулярной среды с помощью аналоговой системы критически важна, по словам Квонга.
«Нечёткая логика интересна, потому что биология не мыслит нулями и единицами», — сказал он. «Биология работает как спектр. Поэтому, если вы думаете об ферментативной активности, она никогда не бывает просто включена или выключена. Она включена, и её активность может быть где угодно между нулём и единицей. Таким образом, долгосрочная цель — признать, что биология не так проста, как цифровая электронная схема. Вам действительно нужна некоторая способность работать с аналоговыми сигналами».