Умный росток
Японские ученые превратили крошечную бактериальную клетку в первый в мире живой биокомпьютер. Это открывает важные возможности в диагностике и терапии заболеваний, в которых играют роль изменения генетического материала.
Кишечная бактерия Escherichia coli представляет собой простую, скромную палочку. Микробиологи и генетики долгое время считали зародыш модельным организмом. Но E. coli как свободно программируемый компьютер? Именно это и делает японская исследовательская группа во главе с Хиротакой Нагавакой из Университета Кейо в Йокогаме, умело вмешиваясь в белковый синтез бактерии.
В качестве носителей информации биопрограммисты используют плазмиды - кольцевые молекулы ДНК, на которых закодирована генетическая информация в последовательности оснований аденина (А), тимина (Т), цитозина (Ц) и гуанина (Г). С помощью конденсатора, который на короткое время перфорирует стенку бактериальной клетки с помощью генерируемого электрического поля, исследователи вводят в колиформную бактерию две плазмиды. Первая плазмида служит входом, вторая содержит программу.
В отличие от других биокомпьютеров исследователям больше не нужно вмешиваться в программу - компьютер E. coli работает автономно: культивируемые на подходящей питательной среде бактерии выдают результат своих вычислений через относительно на короткое время становятся видимыми - например, изменением цвета.
Проверка четности
Первая программа, которую исследователи запустили на своем компьютере с E. coli, должна была определить, является ли ряд единиц четным или нечетным. Такая проверка на четность имеет практическое значение: для обнаружения ошибок при передаче цифровых данных используются соответствующие программы.
После ввода программы ДНК-компьютер работает как конечный автомат, который описывается входными сигналами и - конечным числом - состояний: Автомат запускается в состоянии только что (S0), так как единиц в начале нет и ноль считается четным числом. Каждый элемент во входном тексте вызывает изменение состояния. Хотя автомат не может запомнить предыдущие входные данные и не может сосчитать единицы, он достигает конечного состояния (S0) только в том случае, если количество единиц во входном тексте было четным, так что вывод отражает четность вводимого текста. Например, бактериальная культура компьютера E. coli подсвечивается синим цветом, если введено четное количество единиц, в противном случае она не показывает никакой реакции.
Ввод и программа
Компьютер работает в несколько этапов. Сначала бактерия считывает информацию с введенных плазмид: из ДНК входной плазмиды создается мессенджер или мРНК, а программная плазмида преобразуется в транспортную или тРНК. Этот процесс, известный как транскрипция, при котором информация передается от ДНК к РНК, происходит точно так же в природе. Одна из двух цепей ДНК действует как матрица, так что образующаяся РНК имеет комплементарную последовательность оснований: структура РНК соответствует структуре ДНК, за исключением того, что основание тимин заменено основанием урацилом (U). В то время как мРНК имеет длинноцепочечную структуру, тРНК состоит из множества коротких участков - так называемых антикодонов.
В естественной клетке информация в ДНК передается от мРНК к рибосомам и транслируется в аминокислотную последовательность белка с помощью молекул тРНК - процесс, называемый трансляцией. Соответствующая тРНК, которая уже несет соответствующую аминокислоту, присоединяется к каждому триплету оснований мРНК (триплет оснований). Затем нить мРНК скользит вдоль рибосомы, так что следующая тРНК с совпадающими основаниями может соединиться со следующим триплетом. Наконец, ферменты связывают соседние аминокислоты; белковая цепь продолжает расти до тех пор, пока белок не будет завершен.
Как и в естественной клетке, экспрессия этого гена также играет центральную роль в компьютере E. coli. Антикодоны тРНК кодируют изменения состояния автомата. Базовая последовательность UCCA сигнализирует о том, что автомат переходит из состояния 0 в состояние 1. Однако при комбинации двух антикодонов UCC и CAU автомат меняется с единицы на ноль.
Четное или нечетное?
В мРНК последовательность оснований AGGU обозначает единицу во входном сигнале, основание A отделяет отдельные последовательности друг от друга, а AAUUAAC отмечает конец ввода. Далее следуют основания, представляющие так называемый ген lacZ. Этот ген кодирует фермент бета-галактозидазу - фермент, расщепляющий лактозу на глюкозу и галактозу. Однако он также может расщеплять синтетический субстрат 5-бром-4-хлор-индолил-бета-D-галактозид (XGal), в результате чего образуется синий краситель индиго.
Если количество единиц четное, дополнительные антикодоны, такие как UUA и UUG, позволяют транслировать мРНК, так что ген lacZ транслируется в бета-галактозидазу. Однако при нечетном числе единиц антикодон UUU присоединяется к концу, и процесс трансляции прерывается. В результате только бактерии на компьютере E. coli, входная плазмида которых кодирует четное число единиц, могут прочитать ген lacZ, узнаваемый по синему цвету субстрата. С другой стороны, если количество единиц нечетное, ничего не происходит.
Но компьютер E. coli может делать гораздо больше, чем простая проверка на четность. Потому что в принципе должна быть возможность закодировать любой входной символ автомата с базовой последовательностью одной плазмиды и каждый переход состояния с таковыми в другой плазмиде. Здесь перед бактерией может быть поставлена задача одновременного решения нескольких задач: После того, как ей были привиты различные входные и программные плазмиды, ей дают расти на питательной среде с определенным показателем. Таким образом, у бактерии есть память программ.