Ученые превратили кишечную палочку в универсальный биокомпьютер
Генетики превратили обычную кишечную палочку в биологический аналог компьютера, роль электрических сигналов в котором играют короткие молекулы РНК, и создали на ее базе рекордно сложную логическую схему, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.
"Нам даже удалось встроить два независимых друг от друга логических устройства в одну бактерию, которые выделяют два разных типа светящихся белков. Это открывает дорогу для создания биосенсоров, целиком умещающихся в одну клетку. Кроме того, подобную систему легко трансплантировать и в другие виды микробов", - рассказывает Ким Джонмын (Kim Jongmin) из Гарвардского университета (США).
За последнее десятилетие биотехнологи разработали множество миниатюрных био-устройств, повторяющих функции их неживых аналогов. В частности, существует уже несколько десятков ДНК-компьютеров, полноценное вычислительное устройство и дисплей из колоний кишечной палочки, а два года назад биологи из США создали биокомпьютер, объединяющий несколько разных штаммов микробов.
Все подобные "био-цифровые технологии" обладают двумя общими недостатками - их работу фактически нельзя изменить, не меняя полностью ДНК микробов, и они работают крайне медленно из-за того, с какой скоростью считывается ДНК и распространяется информация в мире микробов. По этой причине ученые создали достаточно много простых биокомпьютеров, исполняющих одну логическую операцию, и крайне редко пытались создать что-то более сложное.
Джонмын и его коллеги смогли обойти эту проблему, создав первый универсальный биокомпьютер, способный исполнять все функции полупроводниковых процессоров, заменив нити ДНК, обычно используемые в подобных бактериальных "процессорах", на короткие молекулы РНК, похожие по своей форме на булавки или шпильки.
Эти шпильки, как объясняют ученые, могут менять свою форму в том случае, если к ним присоединяется другая молекула РНК с подходящим набором "букв". Это важно по той причине, что форма нити РНК определяет то, может ли рибосома, клеточная фабрика по сборке белков, прочитать ее и собрать полноценную белковую молекулу, заставляющую клетку поменять свое поведение или подать определенный сигнал.
Соответственно, комбинируя разные типы шпилек и соединяющихся с ними нитей ДНК, можно создать аналоги логических элементов в полупроводниковых чипах, способных исполнять те же операции, такие как И, ИЛИ, исключающее ИЛИ и НЕ.
Здесь в дело вступает второе важное свойство этих молекул РНК - они являются полностью синтетическими и похожие на них молекулы не встречаются внутри микробов. Это позволяет "склеивать" фактически любое количество таких "логических узлов", не опасаясь того, что их работе будут мешать процессы внутри самих микробов или соседние логические цепочки.
Руководствуясь подобными идеями, ученые создали несколько универсальных вычислительных блоков из молекул РНК, способных обрабатывать все четыре базовых логических операции и проверять любые логические выражения. Убедившись в том, что они работают, они объединили несколько таких блоков в сложную систему из 444 звеньев, исполняющую 12 логических операций и обрабатывающую пять разных химических сигналов.
Подобные РНК-компьютеры, как отмечают ученые, могут в будущем использоваться для наблюдений за сложными процессами внутри живых клеток, а также для создания "живых" датчиков, способных распознавать различные изменения в условиях среды и сообщать об этом человеку.
