Команда исследователей из Массачусетского технологического института теперь придумала способ значительно уменьшить эту непредсказуемость, представив устройство, которое в конечном итоге могло бы позволить таким схемам вести себя почти так же предсказуемо, как и их электронные аналоги. Результаты опубликованы на этой неделе в журнале Nature Biotechnology в статье адъюнкт-профессора машиностроения Домитиллы Дель Веккьо и профессора биологической инженерии Рона Вайса.Ведущий автор статьи — Дипак Мишра, аспирант Массачусетского технологического института в области биологической инженерии.
Среди других авторов — недавние магистранты Филлип Ривера в области машиностроения и Аллен Лин в области электротехники и информатики.Дель Веккио и Вайс объясняют, что у таких синтетических биологических цепей есть много потенциальных применений. «Одна из специфических задач, над которыми мы работаем, — это биосенсинг — клетки, которые могут обнаруживать определенные молекулы в окружающей среде и производить определенный результат в ответ», — говорит Дель Веккьо.
Один пример: клетки, которые могут обнаруживать маркеры, указывающие на присутствие раковых клеток, а затем запускать высвобождение молекул, нацеленных на уничтожение этих клеток.По словам Вайсса, для таких схем важно иметь возможность точно различать раковые и доброкачественные клетки, чтобы они не высвободили свою убивающую силу в неправильных местах. По словам Вайсса, для этого «очень важны» надежные схемы обработки информации, созданные из биологических элементов внутри клетки.
На сегодняшний день такая надежная предсказуемость неосуществима, отчасти из-за эффектов обратной связи, когда вводятся несколько этапов биологических схем. Проблема возникает из-за того, что в отличие от электронных схем, где один компонент физически соединен с другим с помощью проводов, обеспечивающих постоянный поток информации в определенном направлении, биологические схемы состоят из компонентов, которые все вместе плавают в сложной жидкой среде. интерьер клетки.
Информационный поток управляется химическим взаимодействием отдельных компонентов, которое в идеале должно влиять только на другие конкретные компоненты. Но на практике попытки создать такие биологические связи часто приводили к результатам, которые отличались от ожиданий.«Если вы соберете схему и ожидаете ответа« X », а вместо этого получите ответ« Y », это может быть очень проблематично», — говорит Дель Веккьо.
Устройство, созданное командой для решения этой проблемы, называется драйвером нагрузки, и его действие аналогично действию драйверов нагрузки, используемых в электронных схемах: оно обеспечивает своего рода буфер между сигналом и выходом, предотвращая воздействие сигналов от резервное копирование через систему и вызывает задержки вывода.Исследователи говорят, что хотя это относительно ранняя стадия исследования, на достижение коммерческого применения которой могут уйти годы, концепция может иметь широкий спектр применений.
Например, это может привести к созданию синтетических биологических схем, которые постоянно измеряют уровень глюкозы в крови пациентов с диабетом, автоматически инициируя высвобождение инсулина, когда это необходимо.Добавление этого драйвера нагрузки к арсеналу компонентов, доступных разработчикам биологических схем, по словам Дель Веккио, «могло бы увеличить сложность схем, которые вы могли бы спроектировать», открыв новые возможные приложения, гарантируя, что их работа будет «надежной и предсказуемой. "Джеймс Коллинз, профессор биомедицинской инженерии в Бостонском университете, который не был связан с этим исследованием, говорит: «Усилия в синтетической биологии по созданию сложных генных цепей часто затрудняются непредвиденными или нехарактеризованными взаимодействиями между субмодулями цепей. Эти взаимодействия изменяют входные данные. -выходные характеристики субмодулей, приводящие к нежелательному поведению схемы ».
Но теперь, по словам Коллинза, «Дель Веккио и Вайс сделали большой шаг вперед в этой области, создав генетическое устройство, которое может учитывать и корректировать такие взаимодействия, что приводит к более предсказуемому поведению цепей».Исследование было поддержано исследовательским сообществом Eni-MIT в области энергетики, Национальным научным фондом, Исследовательским офисом армии США, Управлением научных исследований ВВС США и Национальными институтами здравоохранения.