nauka

Bakteria, która wykonuje operacje logiczne i zapisuje w DNA ich wyniki

W 1949 roku Claude Shannon, ojciec współczesnej informatyki i autor koncepcji bitów, rozrysował na kartce papieru oś, na której umieścił nośniki informacji wraz z ich szacowaną przez siebie pojemnością. Przy 10^5 zanotował „genetyczna budowa człowieka”. Oczywiście nie mógł jeszcze wiedzieć, że DNA jest duże bardziej pojemne (sam model podwójnej helisy DNA został opracowany dopiero cztery lata później) ale był to pierwszy przypadek, w którym ktoś potraktował genom jako magazyn informacji. Tak, Claude Shannon byłby dumny z ostatniego osiągnięcia naukowców MIT.

Dużo łatwiej napisać pracę teoretyczną na temat wykorzystania DNA jako nośnika informacji niż w rzeczywistości zakodować informacje w genomie. W tej ostatniej dziedzinie poczyniono ostatnio znaczące postępy, ale zastosowanie tej technologii jeszcze przez długi czas ograniczać się będzie do laboratoryjnych eksperymentów. Tymczasem naukowcy z MIT postanowili zmienić trochę podejście do tematu i zamiast opracowywać jedynie sposoby kodowania informacji z wykorzystaniem kwasu dezoksyrybonukleinowego, zabrali się za zaprogramowanie bakterii w taki sposób, by ta wykonywała pewne funkcje logiczne i zapisywała w DNA ich wyniki. Jak można się spodziewać, tak zaprogramowana bakteria może przekazywać uzyskane w ten sposób dane kolejnym pokoleniom.

„Prawie wszystkie poprzednie prace z zakresu syntetycznej biologii, które znamy, skupiają się albo na logicznych komponentach albo na zapisywaniu danych. Stoimy na stanowisku, że złożone obliczenia wymagać będą jednocześnie bramek logicznych i pamięci, dlatego zbudowaliśmy ten konkretny przykład na którym będziemy mogli się opierać w przyszłości,” pisze na łamach Nature Biotechnology profesor Timothy Lu, jeden z autorów badania.

Naukowcom udało się zamienić pewne części DNA bakterii w bramki logiczne, które nie tylko naśladują działanie bramek logicznych znanych z krzemowych tranzystorów, ale zapisują także wyniki. Kiedy taka bramka zostanie uaktywniona, zmiana jej stanu zostaje zapisana w DNA bakterii. Badacze udowodnili, że może się tam utrzymać nawet przez 90 pokoleń.

Nie oznacza to oczywiście, że od razu będzie można zaprogramować bakterie by wykonywały obliczenia akceleratora graficznego, choć MIT ma już potencjalne zastosowanie dla swoich badań.

Zazwyczaj jeśli naukowcom zajmującym się syntetyczną biologią udaje się zaprogramować bakterie by wykonywały określoną czynność, polega ona na zaprogramowaniu odpowiedniej reakcji an bodźce. Na przykład bakteria może produkować zielone fluorescencyjne białko jeśli wykryje obecność konkretnej substancji chemicznej. Zastosowanie bramek logicznych powoduje, że można zaprogramować bakterię w taki sposób, by korzystała z wielu źródeł informacji. W powyższym przykładzie mogłaby produkować fluorescencyjne białko jeśli wykryje dany związek chemiczny i odpowiednią temperaturę (cztery różne kombinacje, tylko jedna spowoduje , że bakteria zacznie świecić).

Wcześniejsze bakterie programowane w ten sposób nie miały możliwości zapisu danych, działały niejako w czasie rzeczywistym. W tym jednak wypadku zmiana stanu bramki logicznej zapisywana jest na stałe w DNA bakterii. Naukowiec, który chciałby poznać historię bakterii może ją odczytać sekwencjonując DNA martwej bakterii, która natrafiła na warunki włączające obwody logiczne, albo DNA jej potomstwa.

Naukowcy z MIT mają nadzieję, że ich badania znajdą kiedyś zastosowanie w miejscach, w których długoterminowa pamięć jest istotna jak na przykład w czujnikach środowiskowych. Opracowany przez nich mechanizm mógłby także przyczynić się do dokładniejszego poznania procesu przekształcania się komórek macierzystych w poszczególne narządy ciała.


podobne treści