Идея создания «биологического компьютера», в котором логические операции выполнялись бы в клетке с помощью биологических макромолекул, занимает учёных давно. И в последнее время тут удалось добиться значительных успехов. Однако существующие ДНК-РНК-белковые «микросхемы» могут выполнять лишь одну специфическую задачу — например, включать некий конкретный ген в ответ на конкретный сигнал, при этом они не в состоянии давать сигнал разной силы.
Исследователи из Медицинской школы Стэнфордского университета (США) попытались усовершенствовать существующие «молекулярные калькуляторы». Они попробовали сделать из биомолекул аналог транзистора. У классического транзистора есть две точки входа (эмиттер и коллектор), между которыми идёт основной поток электронов, и есть дополнительный вход (база), на который подаётся дополнительный ток и через который можно регулировать силу основного. Ток, подающийся на управляющий вход, может быть очень маленьким, но при этом существенно менять основной ток.
В лаборатории Дрю Энди взялись сделать нечто похожее, но из ДНК и белков. Компоненты были такие: ДНК, фермент РНК-полимераза, которая синтезирует РНК на шаблоне ДНК, и ферменты интегразы, которые могут вставлять куски ДНК друг в друга. «Телом» транзистора стала ДНК, а бегущими электронами — молекулы РНК-полимеразы. Фермент садился на ДНК и начинал двигаться, синтезируя РНК; таким образом, концы ДНК были похожи на эмиттер и коллектор. А вот базой работала интеграза: этот фермент определял, сколько молекул РНК-полимеразы пойдёт через ДНК.
Чтобы интеграза могла управлять молекулярным «током», в середину ДНК вставляли особую нуклеотидную последовательность-терминатор, которая тормозила РНК-полимеразы и заставляла их сойти с ДНК. Интеграза же могла этот фрагмент инвертировать, то есть вырезать и вставить обратно, только задом наперёд. В результате последовательность-терминатор исчезала (поскольку ток РНК-полимераз шёл по ДНК лишь в одном направлении), и получалась полноценная мРНК.
В ДНК был записан ген зелёного флюоресцентного белка, так что, когда интеграза переворачивала последовательность терминатора, клетка начинала светиться зелёным. Этот «транскриптор», как его называют авторы работы (транзистор на основе транскрипции), можно приспособить для выполнения логических операций: интеграза, управляющая током, исполняет булевы операторы (AND и OR), на которых строится работа машинной логики.
Легко заметить, что это исследование, результаты которого опубликованы в журнале Science, весьма сходно с работой, проведённой в Массачусетском технологическом институте (США). Различие же состоит в том, что в MIT использовали похожую схему с модификацией последовательности в ДНК, чтобы записать в память результат конкретной логической операции, а учёные из Стэнфорда решали несколько иную задачу: им хотелось сделать такую систему, которая может выполнять разные операции и при этом позволит регулировать силу сигнала. Исследователи показали, как этого добиться: например, в клетке может находиться целый комплекс транзисторов-транскрипторов с разными флюоресцентными сигналами, который будет принимать сигналы от разных источников. С другой стороны, в распоряжении управляющих интеграз может быть много копий одного и того же транзистора, и интенсивность сигнала (интенсивность продукции белка) будет зависеть от того, на скольких копиях фермент разрешит (или запретит) его синтез.
Подготовлено по материалам Медицинской школы Стэнфордского университета.