Создан калькулятор на живых клетках

Используя аналоговые схемы вычисления, ученые из Массачусетского технологического института создали живой калькулятор, способный вычислять логарифмы и извлекать квадратные корни.

Оригинальный калькулятор основан на синтетических, то есть созданных в лаборатории, живых клетках, в которых гены используются, как элементы вычислительной машины. Эти гены выполняют математические расчеты в аналоговом режиме, то есть соединяются и разделяются в процессе счета, используя природные биохимические функции. Благодаря тому, что применяются уже существующие клеточные механизмы, живой калькулятор работает гораздо эффективнее, чем гибриды, которым пытаются привить чужеродные «неживые» цифровые схемы вычислений.

Аналоговые вычисления с помощью живого калькулятора должны быть особенно полезны, например, для создания цифро-аналоговых систем, обнаруживающих пороговую концентрацию определенных молекул. Другими словами, на основе новой технологии можно создать высокоэффективные методики раннего выявления заболеваний.

Создание живого калькулятора началось с того, что ученые обнаружили сходство между аналоговыми транзисторными схемами и схемами химических процессов, которые происходят внутри клетки. В 2011 году даже удалось смоделировать биологические взаимодействия между ДНК и белками с помощью электронной схемы из всего 8 транзисторов.

В новой работе ученые сделали обратное: перенесли аналоговые электронные схемы в живые клетки. Аналоговые вычисления в случае биологии являются более эффективными, чем цифровые, особенно когда не требуется высокая точность вычислений. Аналоговые схемы в живых клетках используют природные непрерывные вычислительные функции, которые в естественных условиях обеспечивают жизнедеятельность клеток. Например уровень глюкозы в живых клетках служит аналогом тока или напряжения в электронной схеме.

Работает живой калькулятор, созданный в MIT, довольно просто. Чтобы создать аналоговую схему, способную складывать или умножать и вычислить общее количество двух или более соединений в клетке, исследователи использовали сочетание двух контуров, каждый из которых реагирует на отдельный фактор. В одной схеме сахар (арабиноза) воздействует на фактор транскрипции, который активирует ген, кодирующий зеленый флуоресцентный белок (GFP). Во второй схеме сигнальная молекула AHL также включает ген, который производит GFP. Таким образом, измеряя общее количество GFP, можно вычислить общую сумму арабинозы и AHL.

Подобным образом можно создавать живые аналоговые схемы, способные делить, извлекать квадратные корни и проводить другие вычисления. Пока эта работа лишь в начале длинного пути, но в будущем живые аналоговые вычислители откроют совершенно новые возможности. В частности значительно улучшится точность измерения экспрессии генов, молекулярного зондирования и управления работой живых клеток.