Система редактирования генома CRISPR помогает учёным лечить генетические заболевания, и ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали, к каким грандиозным результатам приводит применение этой технологии. Между тем CRISPR может пригодится не только в медицине, но и синтетической биологии.
Недавно исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) использовали CRISPR для создания функциональных биокомпьютеров внутри клеток человека.
На сегодняшний день специалисты всего мира пытаются разработать мощные современные компьютеры, однако природа давным-давно превзошла человечество в этом вопросе.
Живые организмы можно рассматривать как компьютеры: их клетки действуют как логические вентили, принимая информацию из внешнего мира, обрабатывая её и реагируя на это определёнными метаболическими процессами.
По мнению ведущего автора недавней работы Мартина Фуссенеггера (Martin Fussenegger), человеческое тело – это большой компьютер.
"Его метаболизм с незапамятных времён опирался на вычислительную мощность триллионов клеток. В отличие от суперкомпьютера, этому большому "компьютеру" нужен только кусок хлеба для получения энергии", – добавляет учёный.
Использование этих естественных процессов для создания логических схем является одной из ключевых целей синтетической биологии.
В рамках недавней работы команда ETH Zurich нашла способ встроить двухъядерные процессоры в клетки человека. Для этого они модифицировали инструмент редактирования генов CRISPR.
Напомним, что CRISPR – это аббревиатура от Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, что можно перевести как "короткие палиндромные повторы, расположенные группами и разделенные одинаковыми промежутками".
Подобная система была "подсмотрена" у бактерий, которые используют эти "молекулярные ножницы" для защиты от вирусов. Её ключевым компонентом является позаимствованный у одноклеточных фермент Cas9. Им управляет РНК-гид, он указывает на нужный участок ДНК, где цепочка и разрезается.
Благодаря этому методу исследователи могут модифицировать геном любого организма, в том числе растения, животного и человека.
Собственно, Cas9 считается одной из самых первых легко программируемых молекул, которая была использована для редактирования генов (но есть и другие).
Швейцарские же учёные разработали специальную версию фермента Cas9, которую можно сравнить с процессором. В ответ на входные сигналы, поступающие от последовательностей РНК-гида, процессор регулирует экспрессию определённого гена. В свою очередь, это приводит к производству конкретного белка.
При помощи этого исследователи могут программировать в клетках человека логические элементы, такие как цифровые сумматоры с двумя входами, состоящие из двух входов и двух выходов и способные складывать два одноразрядных двоичных числа.
Чтобы увеличить вычислительную мощность, исследователям удалось интегрировать два процессорных ядра в одну клетку. С этой целью они использовали компоненты CRISPR-Cas9 из двух разных бактерий.
"Мы создали первый клеточный компьютер с несколькими процессорами", – отмечает Фуссенеггер.
Если говорить о применении, то эти двухъядерные клеточные компьютеры могут использоваться для создания мощных биокомпьютеров, которые помогут диагностике и лечении заболеваний. Теоретически они могут быть масштабированы до любого размера.
Так, клеточный компьютер может применяться для обнаружения биологических сигналов в организме, таких как определённые продукты обмена веществ, а также для их обработки и реагирования на них должным образом.
При правильно запрограммированном процессоре клетки могут определять два биомаркера как входные сигналы. Если присутствует только биомаркер А, то биокомпьютер в ответ на это сформирует диагностическую молекулу или же фармацевтическое вещество. Если он "учует" только биомаркер B, то запустится производство другого вещества. При наличии двух биомаркеров сразу будет вызвана третья реакция.
В целом такая система может найти применение в медицине, в частности она пригодится для лечения рака.
"Представьте себе микроткань с миллиардами клеток, каждая из которых оснащена собственным двухъядерным процессором. Теоретически такие "вычислительные органы" могли бы достичь вычислительной мощности, намного превосходящей мощь цифрового суперкомпьютера, и использовать лишь [небольшую] часть [необходимой ему] энергии", – заключает Фуссенеггер.
В будущем его команда намерена интегрировать многоядерную компьютерные структуры в клетку. По предположению Фуссенеггера, это даст ещё больше вычислительной мощности, чем двухъядерная структура.
Научная статья по итогам исследования представлена в издании PNAS.
Что же касается технологии CRISPR, то ранее учёные впервые засняли на видео процесс редактирования гена.
Кроме того, мы писали о создании первой автоматической системы хранения файлов в ДНК, ДНК-транзисторах и кодировании изображений с помощью ДНК.
