Объединение биологии и техники, известное как синтетическая биология, очень быстро развивается, открывая новые перспективы, которые вряд ли можно было представить себе ещё недавно.

В новом исследовании Алекс Грин, профессор Института Биодизайна ASU, демонстрирует, как живые клетки могут быть использованы для проведения вычислений, как крошечные роботы или компьютеры.

Результаты нового исследования очень важны для интеллектуального дизайна и целевой доставки лекарств, производства зелёной энергии, недорогих диагностических технологий и даже разработки футуристических наномашин, способных охотиться за раковыми клетками или отключать аберрантные гены.

«Мы используем легко предсказуемые и программируемые взаимодействия РНК — РНК, чтобы настроить схемы», – говорит Грин. «Это означает, что мы можем использовать компьютерное программное обеспечение для разработки последовательностей РНК, которые ведут себя так, как мы хотим, что делает процесс проектирования намного быстрее».

Исследование появилось в онлайн-издании журнала Nature.

Проектируемая РНК

Описанный подход использует схемы, состоящие из рибонуклеиновой кислоты или РНК. Эти схемы, похожие на обычные электронные схемы, самоорганизуются в бактериальных клетках, что позволяет им воспринимать входящие сообщения и реагировать на них, создавая определённый вывод (в данном случае белок).

В новом исследовании специализированные схемы, известные как логические вентили, были разработаны в лаборатории, а затем включены в живые клетки. Крошечные переключатели срабатывают, когда сообщения (в виде фрагментов РНК) присоединяются к их комплементарным последовательностям в схеме, активируя логический вентиль и создавая желаемый вывод.

Переключатели РНК могут комбинироваться различными способами для создания более сложных логических элементов, способных оценивать и реагировать на несколько входов, так же как обычный компьютер может принимать несколько переменных и выполнять последовательные операции, например, сложение и вычитание, для получения конечного результата.

Новое исследование значительно повысило лёгкость выполнения клеточных вычислений. РНК подход к производству клеточных наноустройств является значительным шагом вперёд, так как ранее они требовали использования сложных посредников, таких как белки. Теперь необходимые компоненты рибокомпьютера могут быть легко разработаны на обычном компьютере. Спаривание четырёх букв РНК (A, C, G и U) обеспечивают предсказуемую самосборку и функционирование этих частей в живой клетке.

Рибонуклеиновая кислота (РНК) используется для создания логических схем, способных выполнять различные вычисления. В новых экспериментах Грин и его коллеги включили логические вентили РНК в живые бактериальные клетки, действующие как крошечные компьютеры. Изображение: Jason Drees для Института Биодизайна

Работа Грина в этой области началась в Институте Вайса в Гарварде, где он помог разработать центральную компоненту, используемую в клеточных схемах, известную как переключатель РНК toehold. Работа была выполнена в то время, когда Грин был постдоком, работавшим с экспертом по нанотехнологиям Пэн Инь, вместе с синтетическими биологами Джеймсом Коллинзом и Памелой Сильвер, являющимися соавторами новой статьи.

«Первые эксперименты были в 2012 году», – говорит Грин. «В принципе, переключатели toehold работали так хорошо, что мы хотели найти способ наилучшего использования их для клеточных приложений».

Видео демонстрирует основные принципы переключателя RNA toehold. Источник видео: Arizona State University

По прибытии в ASU, Duo Ma, первый аспирант Грина, работал над экспериментами в Институте Биодизайна, а другой постдок, Jongmin Kim продолжил аналогичную работу в Институте Вайса. Оба они являются соавторами нового исследования.

Биологический Pentium

Возможность использования ДНК и РНК, молекул жизни, для выполнения компьютерных вычислений была впервые продемонстрирована в 1994 году Леонардом Эдлманом из Университета Южной Калифорнии. С тех пор прогресс значительно продвинулся вперёд, и в последнее время такие молекулярные вычисления были произведены в живых клетках. (Бактериальные клетки обычно используются для этой цели, поскольку они проще и ими легче манипулировать).

Техника, описанная в новой статье, использует тот факт, что РНК, в отличие от ДНК, является одноцепочечной, когда она продуцируется в клетках. Это позволяет исследователям создавать схемы РНК, которые могут быть активированы, когда комплементарная цепь РНК связывается с открытой РНК-последовательностью в проектируемой схеме. Связывание комплементарных нитей является регулярным и предсказуемым, причём аденин всегда спаривается с урацилом, а цитозин с гуанином.

Со всеми элементами схемы, созданной с использованием РНК, которая может принимать астрономическое число возможных последовательностей, реальная мощь вновь описанного метода заключается в его способности выполнять много операций одновременно. Параллельная обработка обеспечивает более быстрые и сложные вычисления при эффективном использовании ограниченных ресурсов клетки.

Подобно тому, как компьютерные учёные используют логический язык для того, чтобы их программы делали точные AND, OR и NOT операции, «рибокомпьютеры» (окрашенные жёлтым), разработанные командой в Институте Вайса, теперь могут быть использованы синтетическими биологами, чтобы получать и интерпретировать множественные сигналы в клетках и инструктировать их рибосомы (окрашенные синим и зелёным) в целях производства различных белков. Авторы: Институт Вайса в Гарвардском университете

Логические результаты

В новом исследовании были разработаны логические вентили, известные как AND, OR и NOT. AND запускает вывод в клетке только тогда, когда присутствуют два сообщения А и В РНК. Вентиль OR реагирует либо на A, либо на B, в то время как NOT блокирует вывод, если присутствует молекула RNA. Объединение этих вентилей приводит к сложной логике, способной реагировать на несколько входов.

Используя переключатели toehold RNA, исследователи выпустили первые устройства для рибокомпьютера, с четырьмя входами AND, шестью входами OR и 12 входами, способными выполнять сложную комбинацию AND, OR и NOT, известную как нормальная дизъюнктивная форма. Когда логический вентиль встречает правильные последовательности РНК, приводящие к активации, открывается переключатель toehold и происходит процесс трансляции белка. Все эти функции обнаружения и вывода могут быть интегрированы в одну молекулу, что делает системы компактными и простыми в реализации в клетке.

Исследование представляет собой следующий этап текущей работы по использованию универсальных переключателей RNA toehold. В более ранних работах Грин и его коллеги продемонстрировали, что недорогой массив переключателей toehold RNA может выступать в качестве высокоточной платформы для диагностики вируса Zika. Обнаружение вирусной РНК в массиве активировало переключатели toehold, вызывая производство белка, который регистрировался как изменение цвета в массиве.

Основной принцип использования устройств на основе РНК для регулирования производства белка может быть применён практически к любому РНК входу, знаменуя новое поколение точной недорогой диагностики для широкого спектра заболеваний. Бесклеточный подход особенно хорошо подходит для новых угроз и во время вспышек заболеваний в развивающемся мире, где медицинские ресурсы и персонал могут быть ограниченными.

Компьютер внутри

По словам Грина, на следующем этапе исследований основное внимание будет уделено использованию технологии RNA toehold для создания нейронных сетей в живых клетках. Нейронные сети способны анализировать диапазон возбуждающих и тормозящих сигналов, усредняя их значения и производя сигнал на выход, если был пересечён определённый порог активности, так же, как и в обычных нейронах. В конечном счёте, исследователи надеются побудить клетки общаться друг с другом через программируемые молекулярные сигналы, формируя по-настоящему интерактивную, мозгоподобную сеть.

«Поскольку мы используем РНК, универсальную молекулу жизни, мы знаем, что эти взаимодействия могут также работать в других клетках, поэтому наш метод обеспечивает общую стратегию, которую можно перенести в иные организмы», – говорит Грин, ссылаясь на будущее, в котором человеческие клетки становятся полностью программируемыми объектами с расширенными биологическими возможностями.