Американские биологи разработали комплекс из компьютерных программ, позволяющий собирать виртуальные молекулы РНК с заданными свойствами, проверять их в виртуальной лаборатории и использовать макеты для сборки реальных цепочек РНК, говорится в статье, опубликованной в журнале Science.

В последние несколько лет биологи и компьютерные инженеры активно разрабатывают системы, облегчающие «перепрограммирование» бактерий и других живых организмов. Так,

в июле 2011 года биологи из Южной Кореи и США разработали генетический редактор, позволяющий вырезать, копировать и вставлять большие и маленькие участки ДНК прямо в клетке кишечной палочки.

Группа биологов под руководством Джея Кислинга (Jay Keasling) из Калифорнийского университета в Беркли (США) создала, как они сами называют свою технологию, «систему автоматизированного проектирования» (САПР) для сборки молекул РНК с заданными свойствами.

Эта методика сборки РНК подразумевает создание и изучение свойств виртуального «макета» молекулы РНК при помощи специальной компьютерной программы и сборку уже готового продукта без необходимости проверять каждый шаг этого процесса.

«Нам пришлось разработать модели, которые были бы достаточно комплексными для точного отображения тонкостей, необходимых для адекватной имитации функции системы, и одновременно достаточно простыми для оформления в виде измеряемых и управляемых переменных. Мы представляли себе эти переменные как части системы, которые можно менять с предсказуемым результатами – примерно так же, как инженер-химик управляет химической фабрикой, двигая ручками от клапанов. Модели были нужны для того, чтобы предсказывать, как комбинация из положений разных ручек повлияет на работу всей системы», – пояснил один из участников группы Джеймс Каротерс (James Carothers) из Калифорнийского университета в Беркли.

Система Кислинга и его коллег предназначена для сборки одних из самых сложных молекул РНК – так называемых рибозим и аптазим. Эти молекулы могут управлять множеством различных процессов – они влияют на считывание генов, блокируют работу других РНК или могут работать в качестве катализаторов реакций внутри клетки.

Авторы статьи изучили механические и химические законы, управляющие параметрами сборки молекулы РНК и влияющие на ее свойства, и оформили их в виде компьютерных алгоритмов. На основе этих алгоритмов ученые разработали компьютерную программу, позволявшую собирать виртуальные молекулы РНК и наблюдать за ее взаимодействием с другими веществами и прочими цепочками РНК. Проверенную версию молекулы можно будет собрать уже в реальных условиях, не затрачивая усилия на дополнительные проверки.

Для проверки работы этой системы ученые собрали 24 различных версии рибозимной РНК и сравнили то, насколько запрограммированные функции молекулы будут соответствовать реальным результатам ее работы в клетках кишечной палочки (Escherichia coli).

По задумке Кислинга и его коллег каждая молекула РНК должна была заставлять бактерии вырабатывать определенное количество красного флуоресцентного белка (RFP).

В целом, все молекулы работали так, как задумывали ученые – их общая «точность» приближается к 94%.

Как отмечается в статье, ученые планируют использовать свое изобретение для улучшения работы бактериальных «фабрик» биотоплива и создания штаммов бактерий, пригодных для выработки лекарств и дорогостоящих органических веществ.