Используя цепочки взаимозависимых генов вместо электронной микросхемы, ученые превратили живую клетку в «живой компьютер».
Счетная клетка: Бактерия как «компьютер»
Главным «подопытным» ученым служили, как обычно, бактерии кишечной палочки

Конечно, использовать такое «счетное устройство» для сложных математических вычислений не получится. Зато у него есть масса других полезных применений. Подобным образом модифицированная клетка способна запоминать происходящие с ней события, так, как будто она обладает памятью — к примеру, число делений, через которые клетка прошла, или последовательность стадий развития. Можно превратить ее и в эффективный биосенсор, чувствительный к различным токсинам и загрязняющим веществам.

О достижении в последних числах мая сообщила группа ученых во главе с профессором Джеймсом Коллинзом (James Collins). «Не думаю, что по своим чисто вычислительным способностям когда-нибудь биологические системы достигнут того уровня, который сегодня демонстрируют обычные компьютеры», — говорит один из авторов работы, студент Тимоти Лу (Timothy Lu). Действительно, контролировать сложную и многообразную жизнь клетки куда сложнее, чем простой кремниевый чип. Да и так ли это необходимо? Она вполне подходит для решения конкретных, небольших псевдо-вычислительных задач, что и продемонстрировали ученые. «Нашей целью, — говорит Тимоти Лу, — было получить простой инструмент для анализа определенных аспектов жизни клетки».

Чтобы продемонстрировать свою разработку в деле, авторы сконструировали из клетки «устройство», способное вести учет трем видам активности, хотя в теории это количество может быть куда большим. Давайте посмотрим, как это работает.

Первый «счетчик», названный RTC (Riboregulated Transcriptional Cascade — «Риборегулируемый транскрипционный каскад»), состоит из набора генов, каждый из которых кодирует белок, который, в свою очередь, активирует следующий ген в цепочке.

Теперь представим, что клетка получила определенный стимул, действующий на первый ген из этого каскада — к примеру, в питательной среде появился сахар. В ответ начинается выработка первого белка из цепочки, РНК-полимеразы, фермента, который ведет синтез РНК и контролирует активность другого гена. Повторный сигнал стимулирует уже имеющуюся РНК-полимеразу, и она запускает синтез следующего белка в цепочке — другого вида РНК-полимеразы. Таким образом, теоретически, число шагов в этой последовательности ограничено только количеством имеющихся в бактериальной клетке видов РНК-полимераз. «В идеале, — говорит Тимоти Лу, — наша цель состоит в том, чтобы использовать весь набор этих генов для создания все более и более длинных каскадов».

Такие «генетические счетчики» работают не моментально и требуют от нескольких минут до часов. Однако этого вполне достаточно для работы со многими входящими «сигналами» — к примеру, для отслеживания процесса клеточного деления в исследованиях процессов старения. При необходимости, его можно «обнулить» и начать все сначала.

Второй «счетчик» DIC (DNA Invertase Cascade, «Каскад ДНК-инвертазы») несколько сложнее и способен хранить даже нечто вроде «битов» информации. Эта система базируется на ферментах-инвертазах, которые в клетке занимаются довольно необычным делом: они узнают нужный фрагмент на двойной спирали ДНК, вырезают его, переворачивают задом наперед и снова встраивают на место.

Счетчик DIC включает серию генов, кодирующих разные ДНК-инвертазы. Когда первый из них активируется, начинается выработка первой ДНК-инвертазы. Она пристраивается к собственному гену и переворачивает его. При этом работа первого гена блокируется, зато становится возможным работа следующего. При следующих стимулах цикл повторяется: каждая ДНК-инвертаза блокирует транскрипцию собственного гена и разблокирует — следующего. В конце цепочки располагается ген, кодирующий не инвертазу, а выходной сигнал — к примеру, зеленый флуоресцентный белок (GFP), который легко обнаружить после нескольких шагов этой операции. В теории, счетчик DIC может включать до 100 шагов (именно столько различных ДНК-инвертаз открыто в клетке кишечной палочки).

Эти «счетчики» легко использовать и для исследований, и в качестве живых сенсоров. Клетку с их помощью можно заставить реагировать на самые разные химические сигналы или освещение, и даже «запрограммировать» ее смерть после определенного числа циклов. Считается, что подобные биосенсоры, реагирующие на присутствие взрывчатых веществ, в будущем станут лучшими помощниками саперов. Для этого уже сегодня созданы генетические модифицированные дрожжи, распознающие ВВ (читайте: «Разминирование пивом»), и даже пчелы, укрепленные на специальном картридже («Это ж-ж-ж неспроста»).

По информации MIT News Office