ОТ ЭЛЕКТРОНИКИ К БИОТРОНИКЕ

Термин «программирование» в большинстве случаев ассоциируется с электроникой и, в частности, с компьютерами. Однако, современный уровень развития биологии тоже может предложить применение этому термину. В начале второго десятилетия XIX века начало зарождаться новое, весьма перспективное направление – программирование живых клеток.

Оно уходит корнями в своего «старшего брата» – генетическую инженерию. Она берет своё начало в 1973 году. Именно тогда генетики Стэнли Кохен и Герберт Бойер внедрили новый ген в бактерию кишечной палочки. С тех пор было сделано множество важных открытий, позволивших «читать» биологическую информацию, «записанную» в генах, синтезировать новые гены и даже клонировать многоклеточные организмы.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – молекула, содержащая информацию обо всех характеристиках и строении будущего организма. Открытие ДНК молекулы произошло в 1953 году. Френсис Крик и Джеймс Уотсон открыли структуру двойной спирали ДНК. Каждая из двух нитей спирали состоит из «кирпичиков» — из последовательно соединённых нуклеотидов. Каждый нуклеотид ДНК содержит одно из четырёх азотистых оснований — гуанин (G), аденин (A), тимин (T) и цитозин (C). Именно молекулы ДНК позволяют клеткам «собрать» организм любой сложности, а при их делении ДНК обеспечивает их точное «копирование» путём правильного «считывания» заключённой в них наследственной информации [1].

Если внести в организм новые гены, то можно наделить его новой желательной характеристикой, которой до этого он никогда не обладал. Изменения генов прежде всего связано с преобразованием химической структуры ДНК: изменение последовательности нуклеотидов в хромосомной ДНК, выпадение одних и включение других нуклеотидов порождает новую последовательность аминокислот при синтезе. В клетке начинает синтезироваться новый белок, что и приводит к появлению у организма новых свойств.

Около 200 новых диагностических препаратов уже введены в медицинскую практику, и более 100 генно-инженерных лекарственных веществ находится на стадии клинического изучения. Среди них лекарства, излечивающие артрозы, сердечно-сосудистые заболевания, некоторые опухолевые процессы и, возможно, даже СПИД. Первый генно-инженерный человеческий инсулин получен в 1978 году Артуром Риггсом и Кэйити Итакурой в НИИ Бекмана. Уже в 1980 году был налажен его коммерческий выпуск. Клонированные гены человеческого инсулина были введены в бактериальную клетку, где начался синтез гормона, который природные микробные штаммы никогда не синтезировали [2]. Стало очевидно, насколько это направление перспективно.

Таким образом, в сентябре 2013 года было опубликовано исследование [3], в котором описывалось создание набора инструкций для программирования поведения (химических реакций) живой клетки с помощью молекул ДНК. Это означает, что можно создать клетку, которая будет иметь именно ту структуру, которая нужна разработчику. Сам набор инструкций представляет собой абстрактный математический аппарат, с помощью которого описывается химическая система, а уже с помощью ДНК может быть реализована клетка с требуемой динамикой, выполняющая заданные химические действия. Всё это в совокупности авторы исследования называют «программируемым химическим контроллером» [3].

На этом исследования не прекратились. Специалисты из MIT пошли дальше, и в 2016 году ими был представлен целый язык программирования для разработки сложных последовательностей ДНК, наделяющих клетки необходимыми свойствами и функциями. Язык основан на Verilog, который обычно используется для написания микропрограмм для различного аппаратного обеспечения [4]. В то же время в открытом доступе появилась среда (веб-сервис) Cello [5], позволяющая описать логику на языке Verilog и получить ДНК последовательность, реализующую эту логику. Остаётся только использовать существующие технологии биологии, чтобы внедрить полученную последовательность в клетку. Однако, данный метод подходит только для программирования клеток бактерий, но никак не для клеток млекопитающих и человека.

Прогресс и на этом не остановился. Уже в 2017 году учёными из Бостонского университета был представлен фреймворк BLADE (Boolean logic and arithmetic through DNA excision – булева логика и арифметика через вырезание ДНК). Это фреймворк общего назначения, помогающий строить сложные генетические вычислительные цепи в клетках млекопитающих, используя специальные ферменты (рекомбиназы), осуществляющие рекомбинацию между отдельными сегментами ДНК. Как только рекомбиназа находит целевые фрагменты, она вырезает всю ненужную ДНК между ними и соединяет концы двойной спирали. Именно это является главной инновацией этой разработки [6].

BLADE позволяет создавать чрезвычайно сложные вычислительные цепи, используя стандартные логические функции. Например, на рисунке 1 представлена логика устройства хранения [6].

Рисунок 1. Схема вычислительной цепи устройства хранения

Молекула ДНК обладает уникальными запоминающими свойствами, что делает создание биологических устройств хранения очень перспективным. Исследователям уже удалось установить возможность записи 2.2 петабайтов данных на грамм молекул, используя троичную систему счисления на основе трёх нуклеотидов. Информация в ДНК хранится с помощью четырёх нуклеотидов, но четвёртый решили использовать для разбиения длинных цепочек, поскольку неоднократное повторение одного и того же нуклеотида в последовательности негативно сказывается на стабильности хранения и информация может быть потеряна [7].

Таким образом, в настоящее время учёными проделана огромная работа в этой области. Биотехнологии позволяют уже сейчас создавать целые биологические устройства, работающие по заданным программам. Это делает возможным переход от электроники к биотронике – совершенно новому классу устройств. Это особенно актуально в свете скорого нарушения закона Мура и невозможности дальнейшего уменьшения техпроцесса проектируемых чипов.

Список литературы:

1. Л. Я. Бляхер. История биологии с начала XX века до наших дней. — М.: Наука, 1975. — 660 с.
2. Филатов О. Ю., Малышев И. Ю. Клеточные биотехнологии в эндокринологии (учебное пособие для студентов лечебного факультета и слушателей факультета последипломного образования). — М., 2010.
3. Programmable chemical controllers made from DNA. URL: https://www.nature.com/articles/nnano.2013.189#author-information (дата обращения: 20.01.2018).
4. A programming language for living cells. URL: http://news.mit.edu/2016/programming-language-living-cells-bacteria-0331 (дата обращения: 21.01.2018).
5. Официальный сайт Cello. URL: http://www.cellocad.org (дата обращения: 21.01.2018).
6. Large-scale design of robust genetic circuits with multiple inputs and outputs for mammalian cells. URL: https://www.nature.com/articles/nbt.3805 (дата обращения: 21.01.2018).
7. Towards practical, high-capacity, low-maintenance information storage in synthesized DNA. URL: https://www.nature.com/articles/nature11875 (дата обращения: 22.01.2018).