Фундаментальная цель синтетической биологии — предсказуемо и эффективно перепрограммировать клетки, чтобы они осуществляли вычисления и выполняли заданную биологическую задачу. Клетки генетически модицифируются — туда внедряют цепи для биовычислений. Такие мини-компьютеры демонстрируют многообещающие результаты в терапии, диагностике и промышленных биотехнологиях. Синтетическая биология — одно из самых перспективных направлений современной науки.
При программировании клеток учёным приходится решать сложные прикладные задачи. Например, реализация простой бинарной булевой функции (с двумя входными операндами) в клетке прокариот или эукариот требует прокладки множества генетических цепей, обширного конструирования и настройки генетических компонентов. Что касается более сложных вычислительных цепей, то это исключительная редкость в научной литературе.
Проблему решают, составляя каталог генетических компонентов для вычислительных цепей и разрабатывая программное обеспечение для автоматического проектирования вычислительных цепей в клетке. К сожалению, такой софт пока доступен для программирования клеток бактерий, но не для клеток млекопитающих и человека. Сейчас неизвестно, можно ли перенести различные части программного обеспечения с программирования клеток бактерий на клетки высших организмов.
Эту проблему решила группа учёных с кафедры биоинженерии и Центра биологического дизайна при Бостонском университете, кафедры электротехники и вычислительной техники Бостонского университета, а также кафедры науки биосистем и электротехники Швейцарской высшей технической школы Цюриха. Они представили фреймворк BLADE. Это фреймворк общего назначения, помогающий строить сложные генетические вычислительные цепи в клетках млекопитающих, используя сайт-специфические рекомбиназы — ферменты, осуществляющие рекомбинацию между отдельными сегментами ДНК. Именно применение сайт-специфических рекомбиназ является главной инновацией этого фреймворка.
Рекомбиназы работают как ножницы, вырезая и скрепляя конкретные участки ДНК в клетке. Конкретные ферменты, которые используются в этой научной работе, распознают два шаблона в цепочке ДНК, каждый длиной между 30 и 50 базовыми парами. Как только рекомбиназа находит целевые фрагменты, она вырезает всю ненужную ДНК между ними и соединяет концы двойной спирали. Такая техника генетического редактирования BLADE похожа на известную технику CRISPR.
Для проектирования генетических цепей применяется традиционная клеточная механика: цепочка ДНК переписывается в РНК, а затем РНК транслируется в соответствующие белки. Началом и окончанием работы по трансляции генов в белки управляют соответствующие фрагменты ДНК. Один из них — промоутер — сигнализирует о начале операции, и та продолжается, пока цепочка ДНК не дойдёт до ещё одного фрагмента, который сигнализирует о прекращении операции.
Авторы научной работы говорят, что фреймворк BLADE, в отличие от предыдущих разработок, требует минимальной оптимизации со стороны биопрограммиста. Он готов прокладывать цепи с большим количеством входных и выходных операндов без увеличения количества элементов транскрипции, то есть не увеличивая сложность цепи.
Чтобы проверить фреймворк в действии, исследователи спроектировали и внедрили более 100 разных функциональных вычислительных цепей, в том числе провели самые сложные логические операции, которые когда-либо выполнялись в живых клетках.
Например, на иллюстрации показано, как сайт-специфические рекомбинации тирозина и интегразы серина позволяют сконструировать булеву функцию AND с несколькими входными операндами.
(a) Рекомбинации осуществляют простые логические операции BUF через вырезание или инверсию; (b) Проверка эффективности всех рекомбинаций для логических операций BUF; (с) Логическая операция AND с шестью входными операндами
Возможности фреймворка BLADE этим не ограничиваются. Он позволяет создавать гораздо более сложные вычислительные цепи. На следующей иллюстрации показана программируемая логика устройства хранения, которое можно запрограммировать с помощью сайт-специфических рекомбиназ в клетке млекопитающего.
Учёные сконструировали 113 разных цепей, из которых 96,5% успешно функционировали. Это значительно больше, чем привычный для генной инженерии показатель успешности 25%.
Разработка фреймворка BLADE имеет важное значение для синтетической биологии. Учёные проложили в ДНК млекопитающих более 100 разных вычислительных цепей, большинство из которых реализовано впервые. Хотя в данной работе не реализовано каких-то полезных вычислительных систем, но исследователи предложили универсальную технику программирования, которую могут использовать коллеги для реализации конкретных прикладных приложений. Программируемые клетки можно использовать в различных сферах: от лечения рака до создания биологических тканей, которые по команде замещают износившиеся части организма.
До сегодняшнего дня эксперименты с программированием клеток, в основном, велись на клетках E.coli и других бактерий, потому что их генами относительно легко манипулировать. Сейчас подход синтетической биологии расширен на клетки млекопитающих и человека.
Научная работа опубликована 27 марта 2017 года в журнале Nature Biotechnology (doi:10.1126/science.aal0963, pdf).
Комментарии (16)
begemot_sun
30.03.2017 01:49-3Что будет если программированная бактерия\животное вырвется наружу лаборатории?
Не аукнется ли это в будущем, когда мутации доведут «программу» до абсурда?vassabi
30.03.2017 03:12+1обычно такие программированные бактерии такие нежные, что они в на воле не живут (или их заранее специально лишают умения вырабатывать нужные ферменты, которые потом им добавляют в питательную среду).
Вообще — любой лишний кусок ДНК (т.е. внедренная программа) — только мешает клетке жить и требует дополнительной энергии+веществ на свою работу %)
Alex_ME
30.03.2017 02:18Генетически заданные логические элементы внутри живой клетки? Удивительно! Я попал в будущее?
vassabi
30.03.2017 02:46+2А) Ализар — такой ализар!
Б) Я не настоящий сварщик, но, судя по оригинальной статье — им удалось найти способ, чтобы при помощи пары одинаковых ферментов сделать универсальный логический элемент, который потом можно единообразным соединять в большие цепочки формул.
Собственно — изображения в статье:
0) обозначения — GFP=GreenFluorescentProtein=белок светящийся зеленым. перевернутый — записан в обратную сторону. стрелочка — это маркер начала (без него не начнется считывание цепочки). Т — терминатор, на нем считывание принудительно останавливается. цветные треугольники — разные маркеры, пакманы — ферменты (тоже белки, как и GFP, только для других целей)
картинка 1) традиционный подход — фермент А вырезает красные маркеры, фермент В — синие, на выходе — какой-то из четырех белков (разной фиолетовости)
картинка 2)
а= показана работа фермента рекомбиназы (вырезает блокирующий терминатор) и интегразы (переворачивает белок), обащается внимание, что ферменты работают только со своими маркерами.
б=показано, насколько они специфично подходят друг к другу. т.е. позволяют создавать цепочки (т.е. чтобы вместо GFP вырабатывать другой фермент), которые не будет мешать друг другу.
с=пример "6-И", когда нужно присутствие всех 6 ферментов, чтобы "перевернуть" признак старта в нормальное состояние, убрать все терминаторы и также "перевернуть" результирующий белок. ( заметьте, что комбинация 111110 таки дает небольшое свечение :) И вообще — при наличии первого фермента — больше шансов для ошибки %) )
рисунок 3) подробно расписан их универсальный логический элемент. В принципе — то же, что и на картинке 1, только с добавлением 4х "настроечных" маркеров (розовый, голубой, оранжевый и коричневый). Так что при отсутствии и А и В — работает участок Z00, при А — Z10 (Z00 и Z01 — вырезаны), при В — Z01 (ибо вырезан веськусок с Z00 по Z10), а когда и А и В — то там остается только Z11. Причем, по умолчанию — ни один из них не работает без своих активаторов (S1-S4)
Смысл этого всего — что достаточно только 2х белков-ферментов "посредине" с разными маркерами, и набора разнообразных маркеров, чтобы из входа "белок-активатор" получить "белок-результат" по нужной формуле: активатор А+В ==>( ф-ция(A,B)->C, ф-ция(A,B)->D, ф-ция(C,D)->E,… ) ==> ф-ция(*, Е)->результат F.
Обратите внимание, что такие вычисляются только один раз — при первом проходе, а дальше продолжают выдавать один и тот же результат (изза того, что ферменты вырезают и поворачивают). Хотя, насколько я понял оригинальную статью, дополнительный недеструктивный активатор (который можно включать и выключать) можно влючить в самую последнюю цепочку — чтобы не делать холостую работу. А для нового вычисления — внедрять исходную комбинацию заново %)
однако, я повторюсь — я не в теме вообще, а просто водянистость перевода заставила почитать оригинальную статью %)
vassabi
30.03.2017 02:58+2А, и на закуску — авторы сообщают, что те ~100 функций, которые они сконструировали, они запускали (т.е. внедрили в хромосомы клеток "закладочку", добавили настроечных ферментов и активатора и убедились, что светится зеленым, когда нужно, и не светится — когда не нужно) в клетках печени мышей >:-D
vassabi
30.03.2017 03:21PS: подумалось — это ж значит можно синтезировать килограммами эту штуку, а потом:
отмерил грамм сто, обработал смесью S1S2, и после внедрения получил одну функцию,
отмерил еще грамм сто, обработал S4 и получил другую функцию,
и т.д. — и не надо перенастраивать производство туда-сюда, а от массовости — цена этих сто грамм совсем другая будет %)
Akon32
30.03.2017 09:15+1Клеточные вычисления?
А RSA этим способом можно взламывать (за счёт параллелизма)?
Tachyon
30.03.2017 12:12Прочитал про программируемую логику устройства хранения, которое можно запрограммировать в клетке и подумал что это не долговременный способ хранения информации, так как клетка живёт ограниченное время,
потом вспомнил как на днях Елена Малышева рассказывала об расшифровке днк кого-то из известных людей и то что они сумели найти информацию о том откуда пришли предки этого человека ещё около 200000 лет назад (кажется, но могу ошибиться в цифре), а это уже мягко скажем долговременное устройство хранения получаетсяmrhru
30.03.2017 12:37Предков этого известного человека и остальных семи миллиардов менее известных, вычислили, взяв ДНК практически у всех народностей и этнических групп на земле. По разницам в ДНК определили примерные траектории расселения предков современных людей. Исходной точкой оказалась Африка. А по скорости накопления изменений в ДНК, есть такой параметр для живых существ, не помню только, для всех один или для каждого вида/семейства свой. Так вот, по скорости накопления изменений определили возраст нашего общего предка.
Этим предком оказалась негритянка, пардон, афроафриканка, женского полу, жившая действительно двести тысяч лет, точнее 202017 лет тому назад.
Наслаждайтесь! © Масяня.
Timoschenko
30.03.2017 19:57-1Ребята, может кто дать пример, где и зачем нужна константа, TRUE, FALSE;
Для сравнения? Как в обычной программе?
FransuaMaryDelone
в интересное время живем. Аж на нервное «хаха» пробивает.