Инженеры из Массачусетского технологического института и Бостонского университета создали клетки, способные считать и «запоминать» клеточные события, с использованием простой схемы, в которой несколько генов активируются в определенном порядке.
Подобные схемы, имитирующие таковые в компьютерных чипах, могут быть использованы для подсчета количества клеточных делений или для изучения последовательности стадий развития. Они могут стать и биосенсорами, подсчитывающими воздействие различных токсинов.Группа разработала два типа клеточных счетчиков, оба из которых описаны в статье в журнале Science. Несмотря на то, что клеточные счетчики так напоминают компьютерные схемы, ученые не пытаются создать крошечные живые компьютеры.
«Я не считаю, что когда-нибудь подобные схемы в биологии смогут делать то, что делают сейчас компьютеры», говорит Тимоти Лу (Timothy Lu), аспирант отделения Наук о здоровье и технологии Harvard-MIT (HST), один из двух главных авторов работы.
Исполнить четкий вычислительный процесс внутри клетки чрезвычайно трудно, так как живые клетки гораздо сложнее контролировать, чем кремниевые чипы. Вместо этого ученые сконцентрировались на создании небольших схем для выполнения конкретных задач.
«Нашей целью было построить простой инструмент, выполняющий некоторые аспекты клеточных функций», говорит Лу.
Учимся считать
Для демонстрации своей идеи, авторы построили схему, которая считает до трёх, но теоретически такие схемы могут подсчитывать гораздо больше событий.
Первый счетчик получил название RTC (Riboregulated Transcriptional Cascade – Риборегулируемый транскрипционный каскад). Счетчик состоит из серии генов, каждый из которых кодирует белок, активирующий последующий ген.
С первым стимулом – например, поступление сахара в клетку – начинает производиться первый белок последовательности – РНК полимераза (фермент, контролирующий транскрипцию других генов). При втором притоке сахара, первая РНК полимераза инициирует производство второго белка - другой РНК полимеразы.
Количество шагов в последовательности, теоретически, ограничено лишь числом различных бактериальных РНК полимераз. «Нашей целью является создание все более и более длинных каскадов, используя библиотеку подобных генов», говорит Лу.
Временная шкала счетчика составляет минуты или часы, что делает возможным отслеживать клеточные деления. Такой счетчик, возможно, будет полезным при изучении процессов старения.
RTC счетчик может «перезагружаться» и начинать считать заново, но не может «запоминать» что именно он считает. Второй счетчик, созданный этой группой, называется DIC (DNA Invertase Cascade – ДНК инвертазный каскад). Такой счетчик может кодировать цифровую память, храня несколько «бит» информации.
Процесс основан на работе фермента, называемого инвертазой, который может вырезать специфический участок ДНК, переворачивать его и вставлять заново, т.е. он известным образом влияет на последовательность.
DIC счетчик состоит из серии ДНК последовательностей. Каждая последовательность несет ген определенного инвертазного фермента. Когда происходит первая активация, первый ген инвертазы транскрибируется и собирается. Получившийся белок затем садится на ДНК и переворачивает ее, что блокирует его собственную транскрипцию и, в свою очередь, восстанавливает последовательность следующего гена уже другой инвертазы.
При получении второго стимула, цикл повторяется: производится вторая инвертаза, далее она переворачивает кусочек ДНК и включает следующий ген инвертазы.
Выработка системы может быть определена при появлении определенной метки, каковой является ген зеленого флуоресцирующего белка, включенный в последовательность.
Теоретически схема может доходить до 100 шагов (число различных идентифицированных инвертаз). Так как схема реализуется только при специфической последовательности стимулов, то этот счетчик может использоваться, например, при изучении последовательности событий при развитии эмбриона.
Другим возможным приложением может стать программирование клетки действовать в качестве сенсора окружающей среды для различных загрязнений, например, реагировать на мышьяк. Исследователи могут определить необходимое время действия стимула для его учета, а так же количество времени между стимулами, необходимое для того, чтобы они были посчитаны как разные.
Можно запрограммировать такие клетки умирать после определенного количества пройденных циклов или циклов день/ночь.
«Существует довольно много вопросов по поводу сконструированных организмов. Что случится, если они попадут в окружающую среду?», говорит Коллинс, исследователь Медицинского университета Говарда Хагиса. «Эти счетчики смогут программировать срок действия сконструированных организмов».
