Те же самые базовые элементы, на базе которых строится функционирование современных компьютеров, могут использоваться для управления жизнью на молекулярном уровне. Группа ученых из Вашингтонского университета создала искусственные белки, функционирующие как молекулярные логические элементы. Введение этих белков внутрь живых клеток позволяет программировать их поведение и поведение более сложных биологических систем, состоящих из множества таких клеток-биокомпьютеров.
“Биоинженеры уже давно пытались сделать логические вентили из ДНК, РНК путем изменения белков естественного происхождения, но всему, что было создано ранее очень далеко от идеала. Наши же логические элементы, созданные из специальных искусственных белков, более универсальны, они обеспечивают модульность создаваемых биокомпонентов, что может быть использовано в очень широком спектре областей применения, включая и биомедицину” – рассказывает Дэвид Бейкер (David Baker), профессор биохимии из Вашингтонского университета.
Работа электронного или биологического логического элемента заключается в его реакции на входные сигналы по определенной логической функции. Одним из самых простых логических элементов является элемент И (OR), на его выходе появляется сигнал тогда, когда сигнал присутствует на всех его входах. К примеру, набирая текст при помощи клавиатуры, вы зажимаете клавишу SHIFT и нажимаете клавишу А. Благодаря работе логического элемента И нажатия двух клавиш складываются и на экране появляется заглавная буква А.
Биологические белковые логические элементы работают точно таким же образом, только вместо электрических сигналов на их входы подаются биохимические сигналы, в роли которых выступает присутствие или отсутствие молекул определенных химических соединений. Создав нужную биохимическую схему из белковых логических элементов и поместив ее внутрь живой клетки, можно заставить эту клетку выполнять при наличии определенных сигналов необходимые действия, такие, как производство определенных белков, активация или подавление определенных участков генома, и т.п.
“Весь бортовой компьютер Apollo 11 Guidance Computer был построен на базе электронных логических элементов И-НЕ” – рассказывает Цибо Чен (Zibo Chen), ведущий исследователь, – “Мы же сделали точно такой же белковый логический элемент. И теперь при его помощи мы сможем создать сколь угодно сложные схемы, что открывает путь к появлению полностью программируемых биологических систем”.
Первой областью, в которой будут использованы результаты данного достижения, станет метод борьбы с раком, называемый CAR-T. Этот метод заключается в искусственном пополнении численности Т-клеток, клеток иммунной системы организма, при терапии обширных злокачественных областей организм не успевает восполнять количество этих клеток естественным путем, их концентрация падает и организм становится не в состоянии бороться с прогрессирующим заболеванием.
Введение в генетически измененную Т-клетку логических цепей, реагирующих соответствующим образом на сигналы истощения ресурсов этой клетки, может активировать процесс ее восстановления и существенно увеличить срок ее жизни.
“Используя наш новый подход, мы сможем создать Т-клетки, имеющие более долгий срок жизни” – пишут исследователи, – “При этом, программа, закладываемая внутрь этих клеток, будет варьироваться в зависимости от особенностей организма каждого конкретного пациента. И все это станет еще одним видом крайне эффективного оружия в арсенале так называемой персонализированной медицины”.