Клетки-вычислители

Транскрипторы — структурные единицы биологического компьютера 2 Октябрь 2015, 13:41
Когда Чарльз Бэббидж в XIX веке работал над прототипом первой ЭВМ, то представлял, что будет использовать для управления информацией шестеренки и рычаги. ЭНИАК, первый компьютер в современном понимании, разработанный в 1940-х годах, использовал вакуумные лампы и электричество.

В наши дни для выполнения логических операций в компьютерах служат транзисторы, сделанные из высокотехнологичных полупроводниковых материалов.

Коллектив биоинженеров из Стэнфордского университета вынес обработку данных за пределы механики и электроники в область биологии. В опубликованной в марте 2013 г. в журнале Science статье группа исследователей подробно описывает биологический «транзистор», состоящий из генетического материала — ДНК и РНК — вместо шестерен или электронов. Ученые называют свой биотранзистор транскриптором.

«Транскрипторы представляют собой ключевой компонент генетической логики — как транзистор в ЭВМ», — говорит ученый с докторской степенью по биоинженерии и ведущий автор научной работы Джером Баннет (Jerome Bonnet).
Здание Центра биомедицинской инженерии и исследований Стэнфордского университета
Создание транскриптора позволяет инженерам обрабатывать данные внутри живых клеток для регистрации — к примеру, воздействия на них определенных внешних раздражителей или факторов окружающей среды либо даже для включения и выключения, когда нужно, функции репродукции клеток.
«Биологические компьютеры могут быть использованы для изучения и перепрограммирования живых систем, для наблюдения за условиями окружающей среды и клеточной терапии», — говорит Дрю Энди (Drew Endy), кандидат медицинских наук, доцент кафедры биоинженерии, под руководством которого ведется научная работа.
В электронике транзистор отвечает за движение электронов внутри схемы. Таким же образом в биологии транскриптор отвечает за движение определенного белка, РНК-полимеразы, по мере его передвижения по нитям ДНК.
«Мы перепрофилировали группу натуральных белков, называемых интегразами, для осуществления дискретного контроля над потоком РНК-полимеразы в ДНК, что, в свою очередь, позволило нам разработать усилительную генетическую логику», — говорит Энди.
Дрю Энди (Drew Endy), кандидат медицинских наук, доцент кафедры биоинженерии, руководитель работ по транскрипторам Стэнфордского университета
Используя транскрипторы, команда создала то, что известно в вычислительной технике как логические вентили, с помощью которых можно получать ответы «истина»/«ложь» на любой вопрос, поставленный внутри живой клетки. Ученые называют свои логические вентили на базе транскрипторов «Булева интегразная логика» (Boolean Integrase Logic), или, сокращенно, “BIL gates”. Одни только вентили на базе транскрипторов не образуют компьютер, но они являются третьей и финальной составляющей биологического компьютера и могут функционировать внутри отдельных живых клеток. Несмотря на внешние различия, все современные компьютеры, от ЭНИАК до Apple, объединяют 3 базовые функции: хранение, передача и проведение логических операций с информацией. В 2012 году году Энди и его команда удивили научное сообщество, представив две другие основные составляющие полностью функционального генетического компьютера. Первой из них было хранилище цифровой информации, использующее многократную перезапись данных внутри ДНК. Кроме того, они разработали механизм передачи генетической информации от клетки к клетке, что-то вроде биологического Интернета.

Новости из мира транскрипторов

В 2015 году группа ученых из Французского института исследования проблем здравоохранения, а также Французского национального научно-исследовательского центра (CNRS) в Монпелье продолжила исследования в этом направлении и заявляет, что им удалось создать — или даже сконструировать — искусственные биологические системы внутри своих биологических хозяев для определения маркеров различных заболеваний. Результаты этих исследований были недавно опубликованы в статье «Определение патологических биомаркеров в образцах человеческих тканей с помощью усиления генетических триггеров и логических элементов» („Detection of pathological biomarkers in human clinical samples via amplifying genetic switches and logic gates”) в журнале „Science Translational Medicine”.
Ученые называют свои логические вентили на базе транскрипторов «Булева интегразная логика» (Boolean Integrase Logic), или, сокращенно, “BIL gates”
Исследователи развивали идею построения генетической системы, которую можно было бы программировать как компьютер.
«Мы обнаружили, что бактериальные биосенсоры с генетически закодированными цифровыми усиливающими триггерами могут обнаруживать важные медицинские биомаркеры в моче и крови человека, — рассказывает один из авторов исследования. — Эти сенсоры могут выполнять оцифровку, усиление и многопотоковую обработку сигнала с использованием булевой логики и ячеек памяти».
Ученые из CNRS разместили «генетические транзисторы» — транскрипторы — внутри живых бактерий.
«Мы выработали стандартные процедуры и подтвердили стабильность наших синтетических бактериальных систем на клиническом образце, — рассказывает Алексис Курбе (Alexis Courbet), аспирант CNRS и ведущий автор данного исследования. — Мы также разработали метод быстрого подключения к транскрипторам новых сенсоров. Все это должно упростить использование наших разработок».
Обложка журнала „Science Translational Medicine”
за 27 мая 2015 г., в котором была 
опубликована статья ученых из CNRS
Исследователи смогли использовать усилительные способности транскрипторов для обнаружения даже слабейших маркеров заболеваний. Кроме того, им удалось добиться хранения полученных результатов в ДНК бактериальных систем в течение нескольких месяцев. В качестве теста ученые подключили транскриптор к бактериальной системе, которая создана обнаруживать глюкозу, и смогли определить слабые следы глюкозы в моче диабетиков.
«Мы разместили информацию о генетических компонентах, созданных нами, на открытом ресурсе, дабы не ограничивать их дальнейшее совершенствование государственными и частными исследователями, — говорит доктор Жером Бонне (Jerome Bonnet), ученый из Центра изучения структурной биохимии (CBS) в Монпелье, один из ведущих авторов исследований. — В настоящее время наша работа сосредоточена на искусственно созданных системах, которые могут быть быстро перепрограммированы на обнаружение молекулярных маркеров распространенных заболеваний».
Следует заметить, что так же поступили и Энди с его командой, сделав все разработки по “BIL gates” общественно доступными. 
Генетически запрограммированные бактерии меняют цвет, если обнаруживают маркеры болезни, для определение которой они созданы