Гены — вот кубики того конструктора, который биоинженеры используют для создания новых, не существующих в природе систем, способных выполнять полезные функции — например, вести мониторинг окружающей среды.
Живые конструкторы: Детекторы в клетке
Ученые собрали самое сложное синтетическое биоустройство в истории — живой химический детектор, способный обнаруживать четыре различных вида молекул.
К сожалению, трудностей на этом пути остается немало, и первая из них — проблемы совмещения генетических компонентов, позаимствованных из совершенно разных организмов. В отличие от компонентов электронных микросхем, биологические сети взаимодействий внутри живой клетки невозможно физически отделить друг от друга, в ней все взаимосвязано. Ученым приходится вмешиваться в эту работу с величайшей осторожностью, внимательно отслеживая влияние, которое может оказать каждый из новых компонентов на различные системы клетки.
Так действовала и команда американского профессора Кристофера Войта (Christopher Voigt), сумевшего создать самое сложное синтетическое биоустройство в мире, содержащее средства реакции на четыре различных входных сигнала.
Первым из «кубиков», использованных авторами, стал путь инъекции белка внутрь человеческой клетки, который используют бактерии сальмонеллы. Он включает три компонента: промотор (фрагмент ДНК, с которого белки начинают считывание соответствующего гена), активатор (один из этих белков) и шаперон (белок, необходимый для связывания активатора с промотором).
Аналогичные «кубики» были выделены и у других бактерий — ученые перебрали 60 вариантов этого механизма и выбрали те из них, которые минимально пересекаются друг с другом и, следовательно, не будут мешать друг другу, работая в одной общей клетке. А для полного разведения их авторы внесли целый ряд дополнительных мутаций. Таким путем были получены четыре молекулярных механизма с полностью независимыми друг от друга входным и выходным сигналами, а также регуляцией.
Искусственно совместив их в одной клетке, можно получить нужный «биоинструмент», способный параллельно следить за появлением в среде четырех нужных молекул. Достаточно нужным образом запрограммировать входные каналы четырех механизмов, чтобы те реагировали, скажем, на концентрацию глюкозы, уровень кислотности, температуру
Авторы уже работают над внедрением этой системы в клетку дрожжей с тем, чтобы та, работая в ферментере, могла менять свое поведение и активность в зависимости от условий. Вообще же в арсенале группы профессора Войта имеется уже внушительный набор «живых детекторов», реагирующих, например, на низкое содержание кислорода и высокую скученность клеток — эти условия соответствуют происходящему в области опухоли. И это, несомненно, только начало.
Пока ученым приходится манипулировать лишь очень ограниченным числом генетических «кубиков». По словам авторов работы, это предел существующих технологий, и для разработки более сложных устройств потребуется использование специальных компьютерных программ, способных заранее просчитать все множество влияний, которое может оказать внедрение в клетку новых «деталей». Впрочем, над такой программой ученые уже трудятся.
По публикации MIT News