Ученые превратили живую кишечную палочку в биокомпьютер с помощью нескольких генов

18 октября 2011 года

Британские и французские биологи превратили кишечную палочку в простейшее вычислительное устройство, вставив в нее несколько генов, благодаря которым бактерия стала "складывать" поступающие к ней химические сигналы и выдавать результат - другое вещество, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

Биологи считают, что их изобретение может быть использовано для выращивания "запрограммированных" бактерий, которые будут использоваться для лечения рака и поиска холестериновых бляшек на стенках сосудов.

Бактерии, клетки животных и растений способны на элементарные логические операции - они умеют анализировать сигналы, поступающие из внешней или внутренней среды, и включать или выключать определенные гены, чтобы приспособиться к новым условиям.

Группа британских и французских ученых под руководством Мартина Бака (Martin Buck) из Имперского колледжа Лондона приспособила это свойство живых клеток для создания примитивного аналога логических вентилей - "кирпичиков" современной электроники - внутри кишечной палочки.

Бак и его коллеги вставили в ДНК кишечной палочки несколько генов из семейства hrp, выделенных из другой бактерии - Pseudomonas syringae. Эти гены не мешают работе "родных" систем кишечной палочки, поэтому их можно беспрепятственно использовать для "программирования" дополнительных функций.

Ученые использовали гены hrpR и hrpS в качестве входящих "битов" логического оператора "И". Третий участок ДНК из этого набора - hrpL - играл роль химического "выхода" вычислителя.

Первые два гена отвечают за сборку двух разновидностей белков-рецепторов, которые реагируют на определенный вид "химического сигнала". Белок hrpL "включается" только в том случае, если оба "входящих" белка будут активированы. Таким же образом в компьютерах ведут себя цифровые сумматоры - они возвращают "истину" только в том случае, если оба входящих сигнала будут равны единице.

Затем биологи вывели несколько штаммов кишечной палочки с этими генами, и проверили, как они будут реагировать на сигнальные молекулы. Кишечные палочки из штамма MC1061 оказались самыми "цифровыми" - они "включали" и "выключали" нужные гены предсказуемым образом при изменении концентрации управляющих веществ.

Ученые проверили работу своей "цифровой бактерии", вводя различные комбинации сигнальных молекул в питательную среду. Как и ожидалось, культура вычислительных микроорганизмов выдавала положительный "химический" ответ только в том случае, если оба сигнальных вещества, обозначающих "истину" на входах логического "И", присутствовали в питательной среде в достаточно высокой концентрации.

В ходе следующего эксперимента биологи несколько модифицировали бактерию - они добавили к логическому "И" операцию "НЕ", вставив в бактерию ген, который блокировал передачу сигнала из оператора "И", когда он был равен единице.

В обычных цифровых устройствах вентили "НЕ" превращают единицы в нули, а нули - в единицы. Как отмечают ученые, обратное "И" - комбинация из "И" и "НЕ" - является основой современных вычислительных устройств, так как из них можно собрать все остальные логические операторы - "ИЛИ", "И" и исключающее "ИЛИ", как и простейшие арифметические модули.

Бак и его коллеги протестировали работу новых бактерий по той же методике, что и в первый раз. Штамм "цифровых бактерий" вел себя так, как предсказывали теоретические выкладки.

Согласно выводам ученых, количество логических устройств и их архитектуру можно легко расширять и изменять при наличии генов и белков, которые не будут нарушать жизнедеятельность бактерии-"вычислителя".