Inginerii MIT au creat circuite genetice în celule bacteriene, care nu numai că îndeplinesc funcţii logice, dar îşi amintesc, de asemenea, şi rezultatele, care sunt codificate în ADN-ul celulei şi transmise mai departe pentru zeci de generaţii.
Inginerii de la MIT proiectează noi circuite biologice sintetice, care combină memoria şi logica.
Circuitele, descrise în ediţia online a revistei Nature Biotechnology din 10 februarie, ar putea fi folosite ca senzori pe termen lung, controale eficiente pentru bio-manufacturare sau pentru programarea celulelor stem în vederea diferenţierii în alte tipuri de celule.
Inginerii de la MIT au dezvoltat circuite genetice în celulele bacteriene, care nu numai că îndeplinesc funcţii logice, dar îşi amintesc, de asemenea, rezultatele. credit imagine: Liang Zong şi Yan Liang.
"Aproape toate lucrările anterioare din biologia sintetică pe care le ştim s-au concentrat fie pe componentele logice, fie pe modulele de memorie care să codifice amintirile. Noi credem că sistemele complexe de calcul vor implica combinarea logicii şi a memoriei şi, din acest motiv, am construit acest cadru special pentru a face acest lucru", spune Timothy Lu, profesor asistent de inginerie electrică, ştiinţa calculatoarelor şi tehnologie biologică şi unul din autorii articolului din revista Nature Biotechnology.
Autorul principal al articolului este Piro Siuti, la studii postdoctorale la MIT. Ioan Yazbek se numără şi el printre autorii lucrării.
Mai mult decât logică
Biologii din domeniu utilizează componente genetice interschimbabile pentru a proiecta circuite care să exercite o anumită funcţie, cum ar fi detectarea unui produs chimic în mediul înconjurător. În acest tip de circuit, ţinta chimică ar genera un răspuns specific, cum ar fi producţia de proteine verzi fluorescente (GFP).
Circuitele pot fi, de asemenea, concepute pentru orice tip de funcţie logică booleană, cum ar fi porţi ŞI şi porţi SAU. Utilizând aceste tipuri de porţi, circuitele pot detecta intrări multiple. În cele mai multe dintre circuitele logice anterioare realizate prin inginerie celulară, produsul final este generat numai în prezenţa stimulilor originali: după dispariţia lor, circuitul se opreşte până la apariţia unui alt stimul.
Lu şi colegii săi au hotărât să proiecteze un circuit care să fie modificat ireversibil de stimulul iniţial, creând o memorie permanentă a evenimentului. Pentru a face acest lucru, ei au plecat de la circuitele de memorie pe care Lu şi colegii săi le-au conceput în anul 2009. Aceste circuite depind de enzime cunoscute sub denumirea de recombinaze, care pot să decupeze, să inverseze sau să introducă fragmente de ADN. Activarea secvenţială a acestor enzime permite circuitelor să înregistreze evenimentele ce au loc în interiorul unei celule.
Lu a proiectat noile circuite, astfel încât funcţia memoriei să fie construită chiar în poarta logică. Cu o poartă celulară tipică, cele două intrări necesare activează proteinele care iau împreună aspectul unei gene de ieşire. Cu toate acestea, în noile circuite, intrările modifică în mod stabil regiunile ADN-ului care controlează producţia de GFP. Aceste regiuni, cunoscute ca promotori, recrutează proteinele celulare responsabile pentru transcrierea genei GFP în mesagerul ARN, care dirijează apoi asamblarea proteinei.
De exemplu, într-unul din circuitele descrise în lucrare, două secvenţe de ADN numite terminatori se interpun între promotor şi gena de ieşire (GFP, în acest caz). Fiecare din aceşti terminatori inhibă transcrierea genei de ieşire şi poate fi inversat de o altă enzimă recombinază, care va inactiva terminatorul.
Fiecare dintre cele două intrări ale circuitului pun în mişcare producţia uneia dintre enzimele recombinaze necesare pentru a inversa un terminator. În lipsa oricărui input, producţia de GFP este blocată. Dacă ambele sunt prezente, ambii terminatori sunt inversaţi, rezultând în inactivarea lor şi în producerea ulterioară de GFP.
Odată ce secvenţele terminator ale ADN-ului sunt inversate, ele nu mai pot reveni la starea lor iniţială - memoria de activare a porţii logice este permanent stocată în secvenţa de ADN. Secvenţa, de asemenea, se transmite în timp pentru cel puţin 90 de generaţii. Oamenii de ştiinţă care doresc să citească istoria celulei pot măsura producţia de GFP, care va funcţiona continuu sau, în cazul în care celula a murit, ei pot prelua "amintirile" prin secvenţierea ADN-ului celulei.
Folosind această strategie de proiectare, cercetătorii pot să creeze toate tipurile de porţi logice cu două intrări şi să implementeze circuite logice secvenţiale. "Este foarte uşor să schimbi lucrurile între ele", spune Lu, care este, de asemenea, membru al Centrului MIT de Biologie Sintetică. "Dacă începeţi cu o bibliotecă standard de componente, aveţi posibilitatea să utilizaţi o reacţie în trepte pentru a monta orice fel de funcţie doriţi."
Memoria pe termen lung
Circuitele ar putea fi folosite şi pentru a crea un tip de circuit cunoscut sub numele de convertor digital-analogic. Acest tip de circuit are intrări digitale - de exemplu, prezenţa sau absenţa substanţelor chimice unice - şi le converteşte într-o ieşire analogică, care poate fi un interval de valori, cum ar fi nivelurile continue ale expresiei genei.
De exemplu, dacă celula are două circuite, fiecare dintre ele exprimând GFP la niveluri diferite, atunci când sunt activate prin intrarea lor specifică, aceste intrări pot produce patru nivele diferite de ieşire analogică. Mai mult decât atât, măsurând cât de mult GFP se produce, cercetătorii îşi pot da seama care dintre intrări au fost prezente.
Acest tip de circuit ar putea oferi un control mai bun asupra producţiei de celule care generează biocombustibili, medicamente sau alţi compuşi utili. În loc să creeze circuite care sunt mereu deschise sau să utilizeze promotori care au nevoie de intrări continue pentru a controla nivelul lor de ieşire, oamenii de ştiinţă ar putea programa vremelnic circuitul pentru a produce la un anumit nivel. Celulele şi descendenţii acestora şi-ar aminti mereu acest nivel, fără a avea nevoie de mai multe informaţii.
Utilizaţi ca senzori de mediu, astfel de circuite ar putea oferi, de asemenea, o memorie foarte precisă pe termen lung. "Aţi putea obţine semnalele digitale diferite pe care aţi dori să le detectaţi şi să aveţi doar o ieşire analogică, care să rezume tot ce s-a întâmplat în interior", spune Lu.
Această platformă ar putea permite oamenilor de ştiinţă şi să controleze mai precis soarta celulelor stem pe măsură ce le dezvoltă în alte tipuri de celule. Lu lucrează acum la construirea unor celule care să urmeze anumite secvenţe de dezvoltare, în funcţie de tipul de intrări pe care le primesc de la mediul înconjurător.
Michael Jewett, profesor asistent de inginerie chimică şi biologică la Universitatea Northwestern, spune că noul proiect reprezintă un "progres imens în stocarea de informaţie prin intermediul ADN-ului".
"Anticipez că inovaţiile raportate aici vor ajuta la inspirarea unor lucrări de anvergură ale biologiei sintetice care vor extinde limitele sistemelor biotehnologice", spune Jewett, care nu a fost implicat în cercetare.
Studiul a fost finanţat de Office of Naval Research şi DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency).
Traducere de Maricica Botescu după cell-circuits-remember-their-history.
