Биоинженерия: компьютеры в живых клетках

Начиная с 19 века, когда Чарльз Бэббидж создал механический арифмометр для построения математических таблиц, компьютеры прошли очень долгий путь своего становления. В 1940-х годах была создана первая универсальная цифровая машина ENIAC, работающая на вакуумных трубках и электричестве. Современные же компьютеры используют транзисторы на основе высокотехнологичных полупроводниковых материалов. Но по мнению ученых скоро настанет тот день, когда компьютеры будут основываться на новой прорывной технологии, связанной с биоинженерией — наукой, которая рассматривает компьютеры с точки зрения биологии.

И мы сейчас говорим не о суперкомпьютерах, которые пытаются (и в большинстве случаев неудачно) имитировать работу человеческого мозга, а о живых организмах с возможностью сложных вычислений. Ученые из Стэндфордского университета считают, что они нашли способ изобретения биологической версии транзисторов.

«Транскрипторы могут служить ключевым компонентом для логических вычислений — так же, как транзисторы являются таким же компонентом в электронике»,

— говорит Джером Бонне, кандидат технических наук, имеющий ученую степень в биоинженерии и автор опубликованного исследования.

Цифровую логику часто сравнивают с Булевой логикой — системой, предложенной математиком Джорджем Булем в 1854 году, которая предназначалась для выборки истинных и ложных значений. Сегодня Булева логика это по сути те же «нули» и «единицы» в компьютерной среде. Значение верное — гейт транзистора открывается, ложное — закрывается. Открыто -закрыто. Включено-выключено, ноль-единица. Это основа. Но в Булевой логике имеются еще и условия: «и» и «или» — так называемых два самых базовых «гейта». По своей сути «и» является «истиной», когда оба значения в выражении действительно являются верными, то есть «а» и «б» это верные значения. «Или» тоже может являться «истинным», если одно или оба значения являются верными.

«В биологическом смысле, возможности логики такие же безграничные, как и в электронике»,

— объясняет Бонне.

«Вы можете выяснить подвергалась ли клетка воздействию внешних раздражителей, например, глюкозы и кофеина. Гейты Буля в этом случае позволят вам определить и сохранить информацию, благодаря которой вы сможете выяснить, какая из клеток подвергалась, а какая не подвергалась внешнему воздействию».

Используя логические гейты Буля, можно при необходимости даже заставить клетку прекратить репродукцию, а при объединении гейтов в одну систему, можно заставить клетки передавать друг другу информацию. Получится своеобразный «биологический Интернет».

«Потенциал применения в данном случае ограничивается только воображением самого исследователя»,

— говорит соавтор исследования Моника Ортиз, которая смогла продемонстрировать автономное взаимодействие клеток ДНК на основе гейтов Буля.

Для создания транскрипторов и логических гейтов, ученые использовали комбинацию энзимов из интеграз, которые контролируют поток РНК-полимераз вдоль нитей ДНК. Если бы речь шла об электронике, то ДНК выступала бы в качестве проводов, а РНК-полимеразы — в качестве электронов.

«Выбор необходимых энзимов очень важен. Мы тщательно отобрали энзимы, которые присутствовали в бактериях, грибах, растениях, у животных, чтобы посмотреть, как вариативность таких вот биокомпьютеров будет между собой взаимодействовать. Другими словами мы добились того, чтобы транскрипторы получили ключевые сходства между биологическими транзисторами. Говоря о транскрипторах, всего лишь небольшое изменение или усиление в интегразе способно повлечь за собой большое изменение в поведении любых других двух генов».

Важность усиления сигналов ученые описывают на примере телефонов, ведь первые транзисторы в электронике стали применять для того, чтобы заменить дорогие, ненадежные и неэффективные вакуумные трубки, которые не позволяли делать дальние межконтинентальные телефонные звонки. Электронные сигналы, идущие по проводам, становились при большом расстоянии все слабее и слабее. Но затем на пути этих сигналов стали устанавливаться усилители, которые стали каждый раз их (сигналы) разгонять. То же самое важно и в биологической системе, когда мы говорим о передаче сигнала между группами клеток.