Появился способ программировать человеческие клетки для выполнения вычислений и принятия автономных решений, подобно тому как работают компьютерные микросхемы. Это открытие поможет создать интеллектуальные клеточные методы лечения таких заболеваний, как рак.
В своем новом исследовании научные сотрудники Еврейского университета — докторант Керен Роас и доктор Лиор Ниссим — создали искусственные генетические системы внутри человеческих клеток, способные обрабатывать информацию и следовать сложным инструкциям.
Ученые давно хотели программировать клетки для распознавания болезней и автоматического реагирования. Однако создание сложных генетических программ внутри клеток было затруднено из-за нехватки необходимых генетических строительных блоков. В традиционных генетических цепях каждая новая инструкция требует дополнительного уровня вычислений внутри клетки. По мере усложнения системы производительность и надежность этих вычислений быстро снижаются.
«Наш новый подход позволяет клеткам выполнять сложные программы, используя гораздо меньше вычислений и генетических строительных блоков, — объясняет доктор Ниссим. — Это делает возможным создание гораздо более продвинутых биологических программ без потери функциональности».
Авторы работы использовали естественный процесс РНК транс-сплайсинга, при котором фрагменты генетических сообщений могут соединяться внутри клетки, и объединили его с разработанными ими естественными и искусственными регуляторными элементами. Они создали специальные молекулярные инструменты, действующие как биологические процессоры. Поскольку несколько сигналов могут обрабатываться одновременно через сложные вычисления, такая система работает гораздо эффективнее предыдущих разработок.
Чтобы показать, что клетки действительно умеют «считать», ученые создали биологические устройства, работающие аналогично компьютерным компонентам. Одно из таких устройств — биологический «полный сумматор», выполняющий простые бинарные операции, подобно трехразрядному блоку в процессоре. Другой — биологический мультиплексор: схема, выбирающая один сигнал из нескольких и передающая его дальше. Ход работы этих «устройств» отслеживали по свечению флуоресцентных белков разных цветов. Система даже включала функцию безопасности: если клетка обнаруживала недопустимую конфигурацию, она подавала специальный предупреждающий сигнал.
Технология может использоваться для создания «умных» терапевтических клеток, которые смогут 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 точнее воздействовать на больную ткань, уменьшая повреждение здоровых клеток.
Для демонстрации идеи ученые запрограммировали клетки производить интерлейкин-15 — белок иммунной системы, помогающий активировать иммунные клетки, борющиеся с раком. По мере развития технологии будущие лекарства можно будет проектировать почти как программное обеспечение: записывать биологический «код», который четко указывает клетке, когда и как диагностировать заболевание и чем на него отвечать.
