Арсенал синтетических биологов пополнился рибовычислителями

Исследователи из Гарварда и Массачусетского технологического института представили новый тип «биокомпьютера» на базе кишечной палочки. Для выполнения логических операций в нем была использована идея регуляции синтеза белка при помощи РНК-структур. Манипулируя РНК-сенсорами, ученым удалось запрограммировать алгоритм, содержащий в себе множество операций. Статья опубликована в журнале Nature.

Воспроизводство в живых организмах простейших электронных схем, работающих по принципу реле, занимает инженеров с начала 2000 годов. Большинство подобных исследований эксплуатирует существующие в природе индуцибельные промоторы, то есть регуляторные участки генов, для активации которых требуется присутствие в клетке некой молекулы. Такие системы работают по принципу выключателя, когда добавление нужной молекулы-индуктора запускает синтез репортерного белка. В роли последнего часто выступает зеленый флуоресцентный белок или его аналоги других цветов. Комбинируя разные индукторы и промоторы, можно запрограммировать клетку выполнять простейшие логические операции – AND (и), OR (или), NOT (не), NOR (и/или). В рамках этой концепции уже были созданы «многослойные» системы, когда в результате добавления индуктора сначала синтезируется вспомогательный фермент. Последний, в свою очередь, запускает свечение цветных белков (об одной подобной системе мы уже писали). Таким образом, к примеру, в бактериях можно реализовать схемы, состоящие больше, чем из двух ступеней.

Несмотря на то, что для нужд биотехнологии было создано несколько искусственных индуцибельных промоторов, их количество все равно сильно ограничено. К счастью, природная регуляция не ограничивается индукторами, которые представляют пример контроля экспрессии генов на уровне ДНК. На сей раз инженеры обратились к другому типу регуляции, уже на уровне матричной РНК, - рибопереключателям.

Концепция рибопереключателей как способ регуляции генов реализована у многих бактерий, в том числе кишечной палочки. Она основана на том, что матричная РНК одноцепочечная, и может складываться во вторичные структуры разной степени сложности (так называемые шпильки). Такая структура чаще всего мешает рибосоме начать синтез белка. Чтобы ее расплести, нужно либо присутствие некой малой молекулы, которая стабилизирует другую структуру, не мешающую рибосоме, либо присутствие антисмысловой РНК. Это короткие одноцепочечные молекулы, которые расплетают шпильку, комплементарно спариваясь с участком внутри нее. Именно такой принцип реализовали в своей новой работе гарвардские ученые под руководством Джеймса Коллинза, который был одним из пионеров создания вычислительных устройств на базе «генетических реле».

Ведущий автор исследования Александр Грин опубликовал в 2014 году статью, демонстрирующую принцип создания искусственных риборегуляторов с заданными свойствами. В новой работе Грин применил эти регуляторы на основе РНК для программирования клеток кишечной палочки и назвал их рибовычислителями. В системе, созданной учеными, в роли «входного устройства» выступает молекула РНК, кодирующая все тот же зеленый флуоресцентный белок. Последовательности, необходимые для начала синтеза белка, входят в состав шпильки-риборегулятора. Таких шпилек может быть несколько – от двух до шести. Входным сигналом, запускающим синтез белка, является антисмысловая РНК (в работе ее появление также запускали при помощи индуктора, хотя теоретически, ее можно добавлять извне). Соответственно, выходным сигналом «вычислительного устройства» является зеленый белок.

Приведенные ниже схемы иллюстрируют, как в работе устройства реализовано выполнение операций AND, OR и NOT при наличии двух входных сигналов.

Выполнение операции OR осуществляется при помощи антисмысловых РНК  A и B, комплементарных двум шпилькам. Связывание A c риборегулятором расплетает шпильку и позволяет рибосоме начать синтез белка, при этом вторая шпилька ей не мешает. Аналогичным образом связывание B запускает синтез белка. Таким образом, присутствие A или B дает выходной сигнал. 

Выполнение операции AND более сложно устроено – оно требует двух антисмысловых РНК (A1 и A2), которые частично комплементарны друг другу. Чтобы расплести шпильку, они должны сначала объединиться и образовать новую РНК. Выходной сигнал в этом случае мы видим только в присутствии и A1 и A2.

Наконец, выполнение операции NOT требует присутствия «активатора» - цепочки A – и инактивирующей ее цепочки B. В присутствии A и B сигнала мы не видим.

Авторам работы удалось увеличить количество входных сигналов до шести для операции OR и до пяти – для операции AND. Комбинируя эти правила, ученые закодировали алгоритм (A1 AND A2 AND NOT A1*) OR (B1 AND B2 AND NOT B2*) OR (C1 AND C2) OR (D1 AND D2) OR (E1 AND E2), выполнение которого потребовало 12 входных сигналов.

Никакой практической пользы создание подобных вычислительных схем пока не принесло, однако оно наглядно демонстрирует возможности технологий манипуляции с живыми объектами. Такого рода задачи объединяет область науки под названием синтетическая биология. В широком смысле эта отрасль занимается созданием живых организмов с заданными свойствами. Более известные, чем биокомпьютеры, достижения синтетической биологии, о которых мы писали ранее – это

с минимальным геномом или

, использующие искусственную пару нуклеотидов, или

генетического кода кишечной палочки, или

той же кишечной палочке кино в геном.

Дарья Спасская