Эти вычисления могут быть непрерывными или аналоговыми по своей природе — как глаза приспосабливаются к постепенным изменениям уровня освещенности. Они также могут быть цифровыми, включая простые процессы включения или выключения, такие как инициация клеткой собственной смерти.Синтетические биологические системы, напротив, имеют тенденцию фокусироваться либо на аналоговой, либо на цифровой обработке, ограничивая диапазон приложений, для которых они могут быть использованы.Но теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института разработала метод интеграции аналоговых и цифровых вычислений в живых клетках, позволяющий им формировать генные цепи, способные выполнять сложные операции обработки.
Синтетические схемы, представленные в статье, опубликованной в журнале Nature Communications, способны измерять уровень аналогового входа, такого как конкретное химическое вещество, относящееся к болезни, и решать, находится ли уровень в правильном диапазоне для включения выход, например, лекарство, которое лечит болезнь.Таким образом, они действуют как электронные устройства, известные как компараторы, которые принимают аналоговые входные сигналы и преобразуют их в цифровой выход, по словам Тимоти Лу, доцента электротехники, информатики и биологической инженерии и главы отдела синтетической биологии. Группа в Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института, который руководил исследованиями вместе с бывшим аспирантом микробиологии Якобом Рубенсом.
«Большая часть работы в области синтетической биологии сосредоточена на цифровом подходе, потому что [цифровые системы] намного проще программировать», — говорит Лу.Однако, поскольку цифровые системы основаны на простом двоичном выходе, таком как 0 или 1, выполнение сложных вычислительных операций требует использования большого количества частей, чего трудно достичь в синтетических биологических системах.
«Цифровые технологии — это, по сути, способ вычислений, при котором вы получаете интеллект из очень простых частей, потому что каждая часть выполняет только очень простую вещь, но когда вы соединяете их все вместе, вы получаете что-то очень умное», — говорит Лу. «Но для этого требуется, чтобы вы смогли собрать вместе многие из этих частей, и проблема биологии, по крайней мере в настоящее время, заключается в том, что вы не можете собрать миллиарды транзисторов, как на куске кремния», — говорит он.Разработанное исследователями устройство смешанного сигнала основано на нескольких элементах. Пороговый модуль состоит из датчика, который определяет аналоговые уровни определенного химического вещества.
Этот пороговый модуль контролирует экспрессию второго компонента, гена рекомбиназы, который, в свою очередь, может включать или выключать сегмент ДНК, инвертируя его, тем самым преобразовывая его в цифровой выход.
Если концентрация химического вещества достигает определенного уровня, пороговый модуль экспрессирует ген рекомбиназы, заставляя его переворачивать сегмент ДНК. Этот сегмент ДНК сам по себе содержит ген или ген-регуляторный элемент, который затем изменяет экспрессию желаемого результата.«Вот так мы берем аналоговый вход, например, концентрацию химического вещества, и преобразуем его в сигнал 0 или 1», — говорит Лу. «И как только это будет сделано, и у вас будет фрагмент ДНК, который можно перевернуть вверх дном, вы сможете собрать любой из этих фрагментов ДНК для выполнения цифровых вычислений», — говорит он.Команда уже построила схему аналого-цифрового преобразователя, которая реализует троичную логику, устройство, которое будет включаться только в ответ на диапазон высокой или низкой концентрации входного сигнала и способное выдавать два разных выхода.
По его словам, в будущем схему можно будет использовать для определения уровня глюкозы в крови и реагирования на нее одним из трех способов в зависимости от концентрации.«Если уровень глюкозы был слишком высоким, вы могли бы захотеть, чтобы ваши клетки вырабатывали инсулин, если уровень глюкозы был слишком низким, вы могли бы захотеть, чтобы они вырабатывали глюкагон, а если бы он был посередине, вы бы не хотели, чтобы они что-либо делали», — сказал он. говорит.По словам Лу, аналогичные схемы аналого-цифрового преобразователя можно использовать для обнаружения различных химикатов, просто заменив датчик.Исследователи изучают идею использования аналого-цифровых преобразователей для определения уровня воспаления в кишечнике, вызванного, например, воспалительным заболеванием кишечника, и высвобождения различных количеств лекарства в ответ.
Иммунные клетки, используемые при лечении рака, также могут быть сконструированы так, чтобы обнаруживать различные воздействия окружающей среды, такие как уровни кислорода или лизиса опухоли, и варьировать их терапевтическую активность в ответ.По словам Лу, другие исследовательские группы также заинтересованы в использовании устройств для защиты окружающей среды, например, в инженерных ячейках, обнаруживающих концентрацию загрязнителей в воде.
Исследовательская группа недавно создала дочернюю компанию под названием Synlogic, которая сейчас пытается использовать простые версии схем для создания пробиотических бактерий, которые могут лечить заболевания кишечника.Компания надеется начать клинические испытания этих препаратов на основе бактерий в течение следующих 12 месяцев.