Бактерии на бумажной подложке выполнили логические операции

Sira Mogas-Díez et al. / Nature Communications, 2021

Биологи собрали из бактерий логические операторы. Исследователи посадили на бумажную подложку разные группы бактерий таким образом, чтобы поток выделяемых ими веществ заставлял группу бактерий вывода светиться (сигнал «1») или оставаться темными (сигнал «0»). В зависимости от расположения групп бактерий относительно друг друга ученые получили операторы «И», «ИЛИ», «НЕ» и «исключающее ИЛИ», а также привели пример аналогового вычисления. Авторы работы, опубликованной в Nature Communications, предполагают, что подобные схемы могут лечь в основу простых портативных биосенсоров.

Идея проводить вычислительные операции при помощи биологических объектов для синтетической биологии не нова. Как правило, разработчики используют для подобных устройств три слоя разных клеток: по одному для получения химического сигнала, его обработки и вывода ответа. Однако сами по себе клетки сложно устроены, и трудно предсказать, как будет функционировать вся система целиком, даже если известно, как работают отдельные ее части. Например, возникают проблемы с передачей сигналов и воспроизводимостью результатов.

Биоинженеры из испанского Университета Помпеу Фабра под руководством Хавьера Марсии (Javier Marcía) предложили упростить архитектуру биологического компьютера, точнее, поместить клетки ввода и клетки вывода сигнала на один слой. Информация в предложенной ими схеме кодируется в виде концентрации определенного вещества, вырабатываемого бактериальными клетками. В такой системе двумерное пространство становится участником вычислительного процесса: химический сигнал от одной группы бактерий распространяется по бумажной подложке и взаимодействует с другими группами, которые в свою очередь выдают свои сигналы в ответ на полученную информацию. Финальная группа — клетки вывода — в зависимости от концентрации полученного вещества может производить флуоресцентный белок, то есть выдавать видимый человеку ответ.

В работе использовались клетки кишечной палочки Escherichia coli. Авторы разделили их на четыре группы, каждую из которых снабдили своим генетическим элементом: первая производила сигнальную молекулу постоянно (в этом случае — ацил-гомосеринлактон), вторая и третья — только в присутствии сахаров арабинозы и рамнозы, соответственно, и четвертая только в присутствии ртути. Сигнальная молекула может диффундировать в бумаге, встречаясь с бактериями, которые либо выделяют фермент, который разрушает ацил-гомосеринлактон, либо нет — и этим можно управлять, воздействуя на такую группу дополнительными сигнальными веществами (теми же молекулами сахаров). Кроме того, ученые снабдили систему элементом-усилителем из группы бактерий, которая синтезировала сигнальную молекулу, если сама ее чувствовала, и не синтезировала в ее отсутствие, поддерживая концентрацию ацил-гомосеринлактона на постоянном уровне. И наконец, видимый ответ выдавали бактерии-репортеры, которые синтезировали зеленый флуоресцентный белок, если концентрация ацил-гомосеринлактона превышала определенное пороговое значение.

Сами схемы ученые наносили на бумагу самыми обычными оттисками: на них наносили суспензии бактерий и делали отпечаток на бумаге. Подложку затем клали на твердую питательную среду, чтобы бактерии могли нормально функционировать.

Чтобы проверить систему в качестве биосенсора исследователи добавили в питательную смесь соединения ртути в разных концентрациях. Видимый ответ — количество засветившихся групп бактерий-репортеров и их расстояние от бактерий, который производили сигнальную молекулу — позволил оценить концентрацию ртути.

Далее исследователи перешли к созданию более сложных схем, комбинируя имеющиеся элементы. Например, из двух колоний, постоянно вырабатывающих сигнальную молекулу, и двух колоний, которые разрушают сигнал в присутствии либо арабинозы, либо ангидротетрациклина, получился логический оператор «ИЛИ». Похожим образом авторы собрали операторы «И», «НЕ» и «исключающее ИЛИ». Авторы работы также показали системы, воспринимающие два или три сигнала входа.

Напоследок исследователи попробовали показать возможность аналогового вычисления: они создали бактериальную версию полосового фильтра — элемента, который пропускает составляющие, находящиеся в некоторой полосе частот. Для этого на полоску бумаги нанесли бактерии, которые синтезировали сигнальную молекулу только в присутствии арабинозы, за ними — бактерии, которые выделяли разрушающий фермент в присутствии арабинозы, и в конце — бактерии, генерирующие ответ. При низких концентрациях сахара, сигнальная молекула не вырабатывалась в достаточном количестве и не могла достичь бактерий, которые производят в ее присутствии флуоресцентный белок. При высоких концентрациях арабинозы, сигнальная молекула синтезировалась в большом количестве, но вся разрушалась также активно вырабатываемым ферментом, и флуоресценция снова не появлялась. И только заданной (средней) концентрации арабинозы хватало, чтобы запустить синтез сигнальной молекулы, но ее же было недостаточно для выработки разрушающего сигнал фермента. Сигнал доходил до заданной точки и «зажигал» клетки вывода.

Авторы работы обращают внимание, что показанная ими система может храниться до десяти дней в холодильнике (четыре градуса Цельсия), и несмотря на то, что за это время сила видимого сигнала ухудшается, в целом функциональность не нарушается. При хранении при −80 градусах Цельсия, никаких изменений исследователи не наблюдали. Исследователи рассчитывают в дальнейшем уменьшить время ответа системы на сигнал входа (в этой работе оно составило 24 часа), а также автоматизировать процесс «печати» схем.

В вычислительные машины ученые пытаются превратить не только группы клеток, но и отдельные клетки сами по себе или даже просто молекулы ДНК. Например, биологи превратили в компьютеры все те же кишечные палочки, а биохимики записали информацию на молекулы ДНК с одноцепочечным разрывом.

Вера Сысоева

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.