Вчені перетворили живі клітини в комп'ютери, використовуючи білкові логічні елементи

Apr 10 7:00 2020 Друк цієї статті

Група вчених з Вашингтонського університету створила штучні білки, що функціонують як молекулярні логічні елементи. Введення цих білків всередину живих клітин дозволяє програмувати їх поведінку і поведінку більш складних біологічних систем, що складаються з безлічі таких клітин-биокомпьютеров.

"Біоінженери вже давно намагалися зробити логічні вентилі з ДНК, РНК шляхом зміни білків природного походження, але всьому, що було створено раніше дуже далеко від ідеалу. Наші ж логічні елементи, створені з спеціальних штучних білків, більш універсальні, вони забезпечують модульність створюваних біокомпонентів, що може бути використано в дуже широкому спектрі областей застосування, включаючи і биомедицину" - розповідає Девід Бейкер (David Baker), професор біохімії з Вашингтонського університету.

Робота електронного або біологічного логічного елемента полягає в його реакції на вхідні сигнали певної логічної функції. Одним з найпростіших логічних елементів є елемент І (OR), на його виході з'являється сигнал тоді, коли сигнал присутній на всіх його входах. Приміром, набираючи текст за допомогою клавіатури, ви затискаєте клавішу SHIFT і натискаєте клавішу А. Завдяки роботі логічного елемента І натисканням двох клавіш складаються і на екрані з'являється велика літера А.

Біологічні білкові логічні елементи працюють точно таким же чином, тільки замість електричних сигналів на їх входи подаються біохімічні сигнали, в ролі яких виступає наявність або відсутність певних молекул хімічних сполук. Створивши потрібну біохімічну схему з білкових логічних елементів і помістивши її всередину живої клітини, можна змусити цю клітку виконувати при наявності певних сигналів необхідні дії, такі, як виробництво певних білків, активація або пригнічення певних ділянок геному, і т. п.

"Весь бортовий комп'ютер Apollo 11 Guidance Computer був побудований на базі електронних логічних елементів І-НЕ" - розповідає Цібо Чен (Zibo Chen), провідний дослідник, - "Ми ж зробили точно такий же білковий логічний елемент. І тепер за його допомогою ми зможемо створити скільки завгодно складні схеми, що відкриває шлях до появи повністю програмованих біологічних систем".

Першою областю, в якій будуть використані результати даного досягнення, стане метод боротьби з раком, званий CAR-T. Цей метод полягає в штучному поповненні чисельності Т-клітин, клітин імунної системи організму, при терапії великих злоякісних областей організм не встигає поповнювати кількість цих клітин природним шляхом, їх концентрація знижується, і організм стає не в змозі боротися з прогресуючим захворюванням.

Введення в генетично змінену Т-клітку логічних ланцюгів, що реагують відповідним чином на сигнали виснаження ресурсів цієї клітини, може активувати процес її відновлення і істотно збільшити термін її життя.

"Використовуючи наш новий підхід, ми зможемо створити Т-клітини, що мають більш довгий термін життя" - пишуть дослідники, - "При цьому, програма, закладена всередину цих клітин, буде змінюватись в залежності від особливостей організму кожного конкретного пацієнта. І все це стане ще одним видом вкрай ефективного зброї в арсеналі так званої персоналізованої медицини".