03.06.2009

Генетики обучили счёту живые клетки

Исследователи получили генетически модифицированные клетки, которые, используя биологические аналоги алгоритмов, сходных с теми, что работают в компьютерных чипах, умеют подсчитывать число различных событий в своей жизни. О впечатляющем достижении сообщила команда учёных из Массачусетского технологического института (MIT) и Бостонского университета (Boston University).

Перед биологами не стояла цель построить полноценные живые компьютеры — в отличие от кремниевых схем клетки довольно сложно контролировать. Вместо этого исследователи сосредоточились на разработке небольших логических цепей для выполнения конкретных задач.

В качестве подопытных бактерий, как водится, выступили кишечные палочки (Escherichia coli). На их основе группа разработала два типа счётчиков, в которых работает последовательная активация определённых генов.

Первый — риборегулируемый транскрипционный каскад (Riboregulated Transcriptional Cascade — RTC). Он состоит из генов, каждый из которых запускает синтез белка, в определённый момент активирующий ген, идущий далее в этой сконструированной последовательности. Включение каждого гена — это «плюс один» на счётчике событий.

Например, первый стимул — приток сахара в клетку — запускает синтез первой белковой последовательности — РНК-полимеразы (фермента, который контролирует транскрипцию другого гена). В ходе второго притока первая РНК-полимераза запускает производство второго белка — другой РНК-полимеразы, которая готова включить следующий ген. И так далее. При этом RTC можно сбрасывать на ноль.

Пока такие клетки были «обучены» считать до трёх, то есть фиксировать до трёх событий. Но, как утверждают авторы опыта, планку можно поднять гораздо выше. В теории способность этого счётчика к накоплению данных о событиях ограничена только числом разных бактериальных РНК-полимераз. Сейчас авторы работы создают библиотеку этих генов, чтобы построить из них счётчик большего размера.

Вторая «живая микросхема» — каскад ДНК-инвертазы (DNA Invertase Cascade — DIC). Основан этот механизм на ферментах, которые вырезают определённый ген из генома клетки, переворачивают его и вставляют обратно, изменяя общую последовательность заранее известным образом.

Счётчик состоит из ряда ДНК-последовательностей, каждая из которых включает в себя ген для синтеза той или иной инвертазы. При старте работы счётчика запускается производство первой инвертазы, которая переворачивает определённый участок кода, останавливая тем самым собственный синтез, но создавая промоутер для запуска производства следующей инвертазы, которая переворачивает... И так далее.

Этот принцип последовательных изменений позволяет клетке запоминать число входящих сигналов (событий) и выдавать ответ (к примеру — запускать синтез зелёного флуоресцентного белка) только после достижения счётчиком заранее определённого значения.

А это, к примеру, может быть использовано для генетически программируемого самоубийства клетки после заданного числа делений, что пригодится в биологических исследованиях и медицинских приложениях генной инженерии.

И поскольку клетка с таким счётчиком может фиксировать целую последовательность различных событий, на этом принципе можно создавать системы, помогающие отслеживать эмбриональное развитие организма, рассуждают новаторы.

DIC в опыте учёных также пока считал лишь до трёх, но его умение в принципе можно расширить до 100 (это число известных инвертаз).

Детали работы можно найти в статье в Science.

Источники:

1. MEMBRANA