Молекулярные биологи из Массачусетского технологического института превратили кишечную палочку в конечный автомат — систему, которая принимает одно из нескольких состояний в зависимости от внешнего воздействия. Более того, бактерии запоминали те операции, которые они выполняли. Исследование опубликовано в журнале Science, кратко о нем сообщает пресс-релиз MIT.

Создать компьютер на основе бактерии ученым удалось благодаря биоинженерии. Биологи ввели в кишечную палочку плазмиды — небольшие кольцевые молекулы ДНК, существующие отдельно от геномных хромосом. На них находилась последовательность из нескольких генов, игравшая роль программы в эксперименте. В качестве ввода авторы использовали различные химические вещества, которые активировали ферменты-рекомбиназы. Последние модифицировали программы в плазмидной ДНК — некоторые участки вырезались, некоторые переворачивались «задом-наперед». В результате этого изменялся состав белков, которые синтезировала бактерия. Для наглядности авторы ввели в геном участки, кодирующие зеленый, красный и синий флуоресцентные белки.

Схема работы бактерии-компьютера. Nathaniel Roquet et al. / Science, 2016

Всего авторы создали два варианта организмов. Первый из них мог принимать два различных ввода и, в зависимости от последовательности вводов находиться в пяти различных состояниях. Второй мог распознавать три различных вещества в качестве ввода и находиться в 16 различных состояниях. В роли вводного сигнала биологи выбрали антибиотик-аналог тетрациклина, арабинозу (сахар) и препарат DAPG. Состояние бактерии можно определить по свечению вырабатывающихся флуоресцентных белков. Например, при введении двух веществ в одном порядке бактерия светилась в красном и зеленом диапазонах, а при изменении порядка введения тех же самых веществ — в красном и синем.

Интересно, что ДНК одновременно и хранит информацию о введенных веществах и контролирует синтез флуоресцентных белков. Для колонии бактерий с двумя вводами и пятью состояниями по меньшей мере 97 процентов организмов реагировали ожидаемым образом на внешний раздражитель. Для более продвинутых бактерий-компьютеров «правильно» реагировали не менее 88 процентов организмов. 

По словам ученых, такие биологические компьютеры помогут лучше разобраться в том, как происходит дифференциация клеток, например, превращение стволовых клеток в клетки тканей организма. Хотя факторы, регулирующие эти процессы, хорошо известны, то, как их воздействие в организме организовано во времени, изучено плохо. Конечные автоматы помогут выяснить, в какой последовательности вещества запускают процессы в клетках. 

Это не первый случай использования живых организмов для создания вычислительных систем. Так, ранее та же группа ученых заставила бактерии выполнять различные логические операции аналогичным образом. Мы также писали об эксперименте, позволившем объединить мозг нескольких мышей для прогнозирования погоды и о создании распределенной сети из мозгов обезьян. Также для вычислений биологи приспособили белковые нити.

Автор: Владимир Королёв