Появился способ программировать человеческие клетки для выполнения вычислений и принятия самостоятельных решений, аналогично работе компьютерных микросхем. Это открытие способствует созданию интеллектуальных клеточных методов лечения таких заболеваний, как рак.
В своем новом исследовании научные сотрудники Еврейского университета — докторант Керен Роас и доктор Лиор Ниссим — разработали искусственные генетические системы внутри человеческих клеток, которые способны обрабатывать информацию и следовать сложным инструкциям.
Ученые давно стремились программировать клетки для распознавания заболеваний и автоматического реагирования. Однако создание сложных генетических программ внутри клеток оказалось затруднительным из-за недостатка необходимых генетических компонентов. В традиционных генетических цепях каждая новая инструкция требует добавления дополнительного уровня вычислений внутри клетки. С увеличением сложности системы производительность и надежность этих вычислений быстро снижаются.
«Наш новый подход позволяет клеткам выполнять сложные программы, используя значительно меньше вычислений и генетических строительных блоков, — поясняет доктор Ниссим. — Это открывает возможности для создания более продвинутых биологических программ без потери функциональности».
Авторы исследования применили естественный процесс РНК транс-сплайсинга, при котором фрагменты генетических сообщений могут соединяться внутри клетки, и объединяли его с разработанными ими естественными и искусственными регуляторными элементами. Они создали специальные молекулярные инструменты, функционирующие как биологические процессоры. Поскольку несколько сигналов могут обрабатываться одновременно через сложные вычисления, такая система работает значительно эффективнее предыдущих разработок.
Для демонстрации того, что клетки действительно могут «считать», ученые создали биологические устройства, работающие аналогично компьютерным компонентам. Одно из таких устройств — биологический «полный сумматор», выполняющий простые бинарные операции, как трехразрядный блок в процессоре. Другой — биологический мультиплексор: схема, выбирающая один сигнал из нескольких и передающая его дальше. Ход работы этих «устройств» отслеживали по свечению флуоресцентных белков различных цветов. Система даже включала функцию безопасности: если клетка обнаруживала недопустимую конфигурацию, она подавала специальный предупреждающий сигнал.
Технология может быть использована для создания «умных» терапевтических клеток, которые будут постоянно мониторить свое окружение и соответственно реагировать на него. Например, запрограммированная клетка могла бы проверять несколько маркеров болезни одновременно и высвобождать лекарство только при обнаружении определенной комбинации. Это позволило бы лечению более точно воздействовать на пораженные ткани, минимизируя повреждения здоровых клеток.
Для демонстрации идеи ученые запрограммировали клетки на производство интерлейкина-15 — белка иммунной системы, способствующего активации иммунных клеток, борющихся с раком. По мере развития технологии будущие лекарства можно будет разрабатывать практически как программное обеспечение: записывать биологический «код», который четко указывает клетке, когда и как диагностировать заболевание и как на него реагировать.
Фото: hi-tech.mail.ru