Ученые взломали человеческие клетки и перепрограммировали их, как компьютер

Биологи взламывают живые клетки в поисках возможных способов контролировать их работу не первый десяток лет. Они хотят сместить природу на позиции разработчика программного обеспечения для жизни на Земле, постепенно редактируя клеточные алгоритмы — то, что мы привыкли называть ДНК. Возможно, в ближайшем будущем нас ждет прорыв в этой области.

Вчера ученые опубликовали работу, в рамках которой они перепрограммировали человеческие клетки на 109 разных логических инструкций. Эти клетки выполняют инструкции, используя белок под названием рекомбиназа, который может отрезать, перетасовать или сплавлять сегменты ДНК. Эти белки распознают и нацеливаются на определенные положения на нити ДНК. Исследователи обнаружили способ активировать их деятельность. В зависимости от того, возникает ли активность рекомбиназы, клетка может вырабатывать или не вырабатывать белок, закодированный в сегменте ДНК.

Например, клетку можно запрограммировать на то, чтобы она не делала что-то, когда получает сигнал. С помощью такой логической инструкции ученые создали клетки, которые светятся по команде. Биолог Бостонского университета Уилсон Вонг, который возглавляет исследование, называет такие запрограммированные клетки «генетическими микросхемами».

Работает это так: когда клетка содержит специфический белок рекомбиназы ДНК, она не производит голубой флуоресцентный белок, который заставляет ее светиться. Но когда фермента в клетке не содержится, она получает инструкцию — светиться. Можно задать и более сложные инструкции, например, светиться при более длительном наборе условий.

По словам Вонга, такие светящиеся клетки можно использовать для диагностики заболеваний, активируя их протеинами, связанными с конкретными болезнями. Если клетки смешать с пробами крови пациента и они начнут светится, значит пациент болен. Такой метод диагностики будет стоить значительно дешевле, чем методы с использованием специального оборудования, существующие на сегодня.

Но это только один пример. Главное открытие в том, что клетки правильно понимают и выполняют указания. «Это как прототипирование электроники», — считает биолог Университета Миннесоты Кэйт Адамала, которая также принимала участие в исследовании. Каждый изобретатель знает, что первый шаг в построении сложной микросхемы на Arduino заключается в том, чтобы заставить лампочку мигать по команде.

Помимо борьбы с заболеваниями, программируемые клетки можно использовать для производства полезных химических веществ. Например, бостонская компания Ginkgo Bioworks таким образом производит ароматы, которые продает парфюмерным компаниям. Особые дрожжи питают сахаром по такому же принципу, как и пивные, но вместо алкоголя те производят молекулы ароматов. Метод несовершенен: со временем клетки мутируют и перестают работать как надо. Но по словам ученых, можно запрограммировать их на самоуничтожение в момент, когда в работе происходит сбой, прежде чем они испортят всю партию.

Группа Вонга не первая, кто программирует «генетические микросхемы», но именно им удалось добиться продолжительного успеха. Из 113 схем, которые они построили, работают 109. «По моему опыту, если схемы, которые ты строишь, работают 25% времени — это уже большое везение», — говорит Вонг.

Теперь, когда ученые заставили работать базовые генетические схемы, их следующий шаг — повторить успех на разных типах клеток. Но это не так просто: у ДНК нет четких механизмов вкл/выкл, как у электронных микросхем. В клетках Вонга можно отключить выработку специфического белка, изменяя сегмент ДНК, в которых закодированы эти инструкции. Такой способ не всегда работает, потому что природа могла закодировать некоторые инструкции в двух экземплярах. Другими словами: нельзя просто взять и «продебажить» три миллиарда лет эволюции.