Бактерия-компьютер: как цифровые идеи создают новую биологию
Компьютеры играли и продолжают играть ключевую роль в революции, которая произошла в последние несколько десятилетий и которая фундаментально меняет человеческую жизнь.
Но правда в том, что цифровые технологии, которые сейчас влияют на все аспекты жизни, основаны на очень простом механизме. Это двухпозиционный переключатель: он или выключен или активен, ноль или единица. Многие из разработок последних десятилетий сделаны благодаря этому простому механизму и привели к созданию самых сложных систем, доступных человеку.
Однако могут ли те же вычислительные инструменты быть применены к другим фундаментальным механизмам? Этот вопрос исследуется в лаборатории профессора Рамаза Даниэля из биомедицинского инженерного факультета в Технионе, где исследователи создают биологические компьютеры внутри бактерий.
В будущем, как надеются исследователи, эти бактерии можно будет использовать для достижения различных целей - от мониторинга состояния здоровья организма человека до более чистого, точного и рентабельного производства лекарств и других веществ. Либо для еще более амбициозных медицинских целей, таких как выявление раковых клеток в организме и активации иммунной системы против них. Только недавно Даниэль опубликовал исследование, которое стало большим прогрессом в области выявления токсинов.
«Что такое компьютер? Какова роль компьютера? Обработка информации, - спрашивает профессор Даниэль и отвечает себе. - Компьютеры получают различную информацию. Они трансформируют эту информацию в электрические сигналы, обрабатывают их с помощью математических и логических вычислений, а затем отображают результаты вычислений».
В мире живого есть мозг, который, очевидно, умеет делать вычисления, и есть клетки тела. Около 20 лет назад, объясняет Даниэль, биологи и физики начали догадываться, что клетки также выполняют вычисления. Это означает, что естественные системы, основанные на белках и химических реакциях, работают как компьютер.
Принято считать биологию разделом химии: смешиваем два вещества и получаем третье. Однако, по словам профессора Даниэля, биологическая информация работает особенным путем - ритмически. «Есть сигналы, которые нарастают и затихают. Биологическая клетка может запоминать ситуации, например, уровень белка, является ли он высоким или низким», - говорит он, добавляя, что «сами белки тоже выполняют вычисления».
Спустя десять лет после того, как ученые начали проверять вычислительные способности клеток, добавляет Даниэль, возникла идея попытаться изменить биологическую вычислительную систему для нужд человека. «Если мы сможем понять законы программирования, которые существуют в природе, и сравнить их с законами, которые управляют обычным компьютером, то мы можем применять законы компьютера к природе. Или наоборот. Так мы можем создать новую биологию - биологические компьютеры».
Первым делом для достижения этой цели необходимо было извлечь из электронного компьютера цифровую идею - ноль и единица, а потом применить ее к бактериям и создать переключатели на основе белка. Однако потенциал биологических систем гораздо выше. В рамках своего постдоктората в Массачусетском технологическом институте Даниэль работал над расширением вычислительных возможностей за дигитальные пределы - для вычислений, результат которых не должен быть равен нулю или единице.
«На основе этих идей я создал биологический компьютер, - говорит он. - Я доказал, что мы можем создать бактерию-компьютер, которая могла бы выполнять математические расчеты. Информация попадает в него в виде химических веществ, таких как сахар, а на выходе мы получаем белок, который синтезируется в клетке и производит свет (явление биолюминисценции). А свет можно измерить и количественно оценить». Среди прочего, бактерия способна сравнивать концентрации разных веществ или измерять количественные соотношения двух веществ.
Апгрейд системы
И в чем польза этих разработок? По словам Даниэля, использование вычислительной способности биологических клеток может иметь три основных непосредственных применения, первое из которых заключается в использовании биологических компьютеров для оптимизации и улучшения контроля выработки химических веществ.
Другое использование биологических компьютеров – это сверхточные датчики. Ученые давно знают, что генетически модифицированные бактерии могут использоваться для обнаружения токсичных веществ, которые вредят ДНК человека.
Впрочем, хотя идея хорошо известна, ей не удалось выбраться за пределы лаборатории, потому что никто не смог построить бактериальные системы, которые бы работали стабильно и давали надежные результаты. Одна из проблем заключается в том, что эти бактерии не могут различать типы токсинов. Кроме того, сигнал, который посылает бактерия, зависит от многих переменных.
По этим причинам лаборатории всего мира пытаются усовершенствовать инструменты. Помимо прочего, в Великобритании работают над усилением сигнала, испускаемого бактерией в ответ на воздействие токсичных веществ. А биологическая система, протестированная в Массачусетсе (MIT), обнаруживает кровотечения и воспалительные процессы в организме.
По словам Даниэля, в его лаборатории он вместе с докторантом Натали Бергер нацелены на создание белковой системы в бактериях, которая обеспечивала бы более точное и надежное измерение окружающей среды. Например, такой, которая может различать два разных вещества и давать на выходе соответствующий результат.
Статья, рассказывающая об этой разработке, была недавно опубликована в научном журнале «Nucleic Acids Research», где Даниэль и Бергер вместе с доктором Муной Хабиб-Рухана и доктором Шимингом Ли показали, как их биологический компьютер может контролировать концентрацию налидиксовой кислоты - вещества, которое подавляет репликацию ДНК и может стать триггером злокачественных процессов в организме.
Третье будущее применение бактерий-компьютеров, о котором говорят ученые, это интеграция биологических компьютеров в системы организма человека. Таким образом, как надеется Даниэль, будет возможно не только выявить такие проблемы, как раковые клетки, но и активировать иммунную систему организма для борьбы с ними.
Даниэль говорит, что существует только одно ограничение для биологических компьютеров: они не являются гибкими. Они созданы для выполнения определенных вычислений, которые они будут делать до конца своей жизни. «Для многих возможных целевых использований это серьезное ограничение», - объясняет исследователь, отмечая, что в настоящее время он работает над созданием обучающих систем, предназначенных для его преодоления. В таких биологических компьютерах, заключает он, могут использоваться принципы из сферы искусственного интеллекта.