Живые клетки инженера ученых как ‘логические ворота’

На шаге, приближающем день клеточных компьютеров, команда американских ученых из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса в США спроектировала живые клетки, чтобы вести себя как логические ворота или простые биологические вычислительные единицы, производящие определенные мощности в ответ на определенные комбинации вводов.В майской проблеме Природы Химическая Биология, ведущий автор Таканари Иноуэ, доцент в Отделении Цитобиологии в Джонсе Хопкинсе, и члене Института университета Центра Базовых Биомедицинских Наук Динамики Клетки, и коллегах, описывают, как они заставили клетки млекопитающих вести себя как И и ИЛИ логические ворота.

В основе каждого компьютера «логические ворота», выполняющие Булевы или логические операции такой как НЕ, И и ИЛИ. Эти ворота признают и отвечают путем понимания всего двух государств: Верный (1) и Ложный (0).Например, И ворота имеет два ввода и производит 1 только, когда оба ввода равняются 1. Таким образом для этих ворот, из четырех возможных входных комбинаций 00, 01, 10 и 11, только комбинация 11 производит 1; другие три комбинации приводят к 0.ИЛИ ворота также имеет два ввода, но они производят 1, когда или или они оба 1. Таким образом от четырех возможных комбинаций 00, 01, 10 и 11, только эти 00 приводят 0 для других трех комбинаций, ИЛИ ворота производят 1.

В электронно-вычислительных машинах логические ворота являются основанными на силиконе компонентами, и государства, Верные и Ложные (1 и 0), представлены наличием или отсутствием электрического тока.Теперь предположите, что Вы могли сделать подобный логический процессор в клетке. Какие компоненты и особенности Вы могли использовать?

Один подход должен использовать генетическое машинное оборудование в клетках, действительно это уже было сделано. Предыдущие исследования использовали trascription, процесс, посредством которого клетки читают гены, чтобы сделать белки, генерировать мощности.

Но это медленно и может взять от минут до дней. И Need for Speed является ключевым фактором в этом исследовании, как Иноуэ объяснил:«Людям нравится иметь быстрое вычисление. Мы надеялись достигнуть вычисления в клетках на заказе секунд, который значительно быстрее, чем, чего люди достигли к настоящему времени».Таким образом, Иноуэ и коллеги решили попытаться разработать систему на основе клеточных белков.

Они достигли этого при помощи метод, названный химически индуцибельной димеризацией (CID), развертывающей естественные биологические механизмы, чтобы плавить два белка в комплекс в присутствии химиката.С тех пор И и ИЛИ ворота создают мощности на основе двух различных вводов, или вместе или отдельно, команде были нужны две различных системы CID, не конкурировавшие или накладывавшиеся друг с другом.Они полагались на одну систему CID, это было изучено в течение многих лет, который приносит животным белкам FRB и FKBP вместе в присутствии лекарственного средства, названного рапамицином, полученным из бактерий.

Кроме того, они использовали вторую систему CID, объединяющую два белка завода GID1 и GAI, в присутствии растительного гормона, названного gibberellin.Иноуэ объяснил, что, так как gibberellin система основывается на заводах, она не конкурирует с основанным на животном рапамицином один.

Он и его коллеги спроектировали клетки млекопитающих, делающие все четыре белка, а также реакцию, когда правильные два белка объединяются.Таким образом, когда или FRB и FKBP или GID1 и GAI объединились, мембрана клетки развила «рябь», которую было легко видеть под микроскопом.Чтобы сделать ИЛИ ворота, FRB и GAI были связаны в клеточной мембране, в то время как FKBP и GID1 были связаны, вместе плавая свободно в клетке.

ИЛИ операция произошел путем добавления или рапамицина ИЛИ gibberellin ИЛИ обоих, потому что любой из них привел к свободно плавающей паре, соединяющейся паре в мембране, чтобы сделать выходной сигнал.Сделать И ворота, команда помещенный просто GAI в клеточную мембрану, и просто имело FRB и комбинацию FKBP и свободного плавания GID1 в клетке.

В этой системе все четыре белка должны были соединиться, чтобы генерировать выходной сигнал, только произошедший, когда и рапамицин И gibberellin присутствовали.Когда они проверили эти системы, команда нашла, что они произвели требуемые реакции быстро всего за несколько секунд.Как второе доказательство принципа, они также проверили систему с помощью флуоресценции в качестве требуемого выходного сигнала. Они нашли, что это было столь же быстро.

Иноуэ сказал в конечном счете, что могло бы быть возможно использовать эти методы, чтобы построить большие, более сложные логические схемы и для компьютеров, чтобы основываться на клетках.Тем временем этим системам можно было найти хорошее применение более или менее, как они: например, они могли произвести определенные мощности в присутствии определенных химикатов, полезного диагностического инструмента.Другое потенциальное использование для изучения, как клетки естественно производят мощности, чтобы отрегулировать физические функции.

Фонды от Национального Института Здоровья (NIH), Национального научного фонда, и Национального Центра Ресурсов Исследования NIH и Дорожной карты NIH для Медицинского Исследования, помогли плате за исследование.


Оставьте комментарий