Бактерии-компьютеры

Ученые-биоинженеры из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT) создали особый вид бактерий, которые действуют как крошечные компьютеры, обрабатывая поступающие сигналы и сохраняя полученные результаты в своем генетическом коде. Эти бактерии ведут себя как достаточно сложные логические схемы, реагирующие на входящие из окружающей среды сигналы и выполняющие определенные действия, к примеру, вырабатывающие белок определенного вида, при наличии одного или комбинации сигналов, на которые они настроены. А способность клеток микроорганизмов сохранять информацию в генетическом коде позволит создать на их основе различные биохимические датчики, различные элементы биопроизводства или средства программирования стволовых клеток и клеток других тканей.

Ученым раньше удавалось создать разнообразные варианты микроорганизмов, функционирующих способом, схожим со способом работы обычных электронных схем. Эти микроорганизмы являются биологическим вариантом логических элементов, частей схем, которые преобразуют по определенному закону входные сигналы в выходной сигнал. Но новые микроорганизмы, разработанные учеными MIT, способны под воздействием входных сигналов не только вырабатывать выходной сигнал, но и сохранять его в генетической памяти самого микроорганизма.

"Почти все предыдущие работы в области синтетической биологии, о которых мы знаем, были направлены на создание отдельных логических элементов или ячеек памяти, которые занимаются только хранением информации" - рассказывает Тимоти Лу (Timothy Lu), ведущий ученый-биоинженер, - "Но объединение логических функций и функций памяти в одном элементе позволит реализовать более сложные и более функциональные биологические вычислительные системы. Именно поэтому мы и создали новую сложную бактерию, которая является примитивным биокомпьютером, способным обрабатывать и хранить информацию".

Для достижения поставленной цели исследователи спроектировали на генном уровне бактерию, которая вырабатывает ферменты-рекомбиназы (recombinases), благодаря которым в ответ на два внешних биохимических сигнала в генетический код бактерии будут вставлены два различных фрагмента ДНК. Помимо этого производство ферментов-рекомбиназ служит сигналом для клетки, которая в ответ на него начинает вырабатывать зеленый флуоресцирующий белок (green fluorescent protein, GFP), который является выходным сигналом этой клетки. После того, как клетка умирает, ученые могут извлечь и расшифровать ее ДНК, получив все записанные туда данные.

Особо стоит отметить, что на основе таких бактерий можно создавать датчики и системы, обладающие очень долгосрочной памятью, записанная и генетический код информация передается от поколения микроорганизмов к следующему поколению, оставаясь неизменной минимум в течение жизни следующих 90 поколений.

Подобные технологии могут послужить для того, чтобы запрограммировать клетки функционировать определенным образом, отличным от обычного функционирования клеток данного вида. Это позволит, используя соответствующие химические "сигналы" добиться производства из клеток-заготовок клеток необходимого типа, которые сами производят биотопливо, лекарственные препараты и другие необходимые вещества.