Čtyři britští vědci z londýnské Imperial College využili běžnou bakterii Escherichii coli (E.Coli) a pro ní cizorodé úseky DNA na „sestavení“ jednotky počítačového logického obvodu – hradla. Samozřejmě, že ho nehodlají využít v stávajících elektronických zařízeních, ale předpokládají vývoj mikroskopických biologických počítačů, neboli zatím spíše chytrých senzorů, které by mohly například plavat uvnitř tepen a odhalovat na jejich stěnách škodlivé usazeniny – aterosklerotické plaky, dopravovat léky do konkrétních míst v těle nebo usmrcovat nádorové buňky. Samozřejmě by našly aplikaci i ve vnějším prostředí mimo tělo, například pro neutralizaci toxinů a monitoring znečištění.
Jeden z autorů studie, jejíž výsledky zveřejnil časopis Nature Communications, Richard Kitney z Centra pro syntetickou biologii a inovace a z katedry bioinženýrství na Imperial College vysvětluje: "Logická hradla jsou základními stavebními kameny obvodů na bázi křemíku, na nichž je vybudován celý náš digitální věk. Bez nich bychom nemohli zpracovávat digitální informace. My jsme nyní prokázali, že můžeme napodobit tyto součásti pomocí bakterií a DNA. Doufáme, že naše práce povede k nové generaci biologických procesorů, jejichž využití při zpracování informací by mohlo být stejně důležité, jako u jejich elektronických protějšků."
Těžko dnes odhadnout, nakolik je Kitneyova představa realistická. V každém případě je zajímavé získat alespoň mlhavou představu, jak by mohly genetické minisenzory pracovat, reagovat na konkrétní vnější podněty a na jejich základě se „rozhodovat“ pro další kroky.
Funkci bio-logického prvku zajišťuje kombinace aktivity a nečinnosti jeho genetických součástí. A ty mohou fungovat jenom ve vhodném prostředí, kde se nacházejí další potřebné komponenty. Tím nejideálnějším je samozřejmě živá buňka. Proto britští vědci potřebné součástky DNA hradla, které si vypůjčili od jiných mikroorganismů, „implantovali“ pomocí genetických manipulací do asi 2 mikrometry velké bakterie E. coli. Nejdříve vpašovali regulační modul z bakterie Pseudomonas syringae, která se vyskytuje v mnoha poddruzích napadajících různé rostliny. Z buňky tohoto rozšířeného patogenního organismu si vybrali dva geny hrpR a hrpS. Expresi (aktivitu = přepis genetické informace do příslušné posloupnosti aminokyselin) každého z nich spouští jiný specifický podnět z vnějšího prostředí. Výslednými produkty aktivity těchto genů jsou bílkoviny, jež patří mezi takzvané transkripční (přepisující) faktory. Když v prostředí začnou působit oba spouštěcí podněty současně a tedy hrpR i hrpS jsou aktivní, kombinace jejich dvou výsledných proteinů probudí k činnosti dalšího člena systému – promotor hrpL. Promotor je úvodní částí genu, signálním úsekem DNA, který navádí složky transkripčního aparátu na místo, v němž se mají na posloupnost nukleotidů navázat, začít číst genovou instrukci a překládat do mediátorové (messenger) mRNA (viz video).
Když to tedy shrneme, na výstupu se objeví signál = aktivní stav promotoru hrpL - jen tehdy, když na vstupu budou přítomny oba spouštěče aktivity genů hrpR a hrpS. Celý systém tak vlastně provádí logický součin: působí podnět A a zároveň podnět B. Funguje tedy jako logický člen AND. Širší využitelnost tohoto genetického hradla zajišťují dva promotory na jeho začátku, které mohou být navázány na jiné vstupní promotory a jeden promotor na konci, k němuž může být připojen libovolný genetický modul řídící nějakou konkrétní buněčnou odezvu.
Britové tuto možnost začlenění AND hradla ověřili tak, že na něj, přímo na výstupní promotor, připojili gen (cI), který si vypůjčili od viru – bakteriofágu lambda, běžného patogenu pro bakterii E. coli. Tento lambda gen spolu se svým promotorem (PR) tvořily další variantu genetické brány - logický prvek NOT. Spojením AND a NOT vzniklo hradlo NAND (NotAND). Na jeho výstupu byl signál = aktivita genu cI, neustále s výjimkou doby, kdy byl v činnosti výstup AND hradla (tedy kdy byl aktivován jeho koncový promotor).
To tedy značí, že logický člen NAND byl aktivní, když byla jeho AND součást neaktivní a naopak (negoval její výstup). Když se v prostředí objevily spouštěcí faktory aktivující první dva geny hrpR a hrpS, NAND přestal „vysílat“. Přehled kombinací vstupních a výstupní signálů nabízí tabulka.
Modularita (možnost obměny jednotlivých členů systému) AND a NAND hradel nabízí možnost připojení na vstup rozličných senzorů. Jejich případným sloučením lze začlenit vícero vhodných environmentální i nitrobuněčných signálů a tím i přesně stanovovat podmínky, na které by celé genetické čidlo mělo reagovat. Představa, že by nám – například - z času na čas v krvi kolovaly zvenčí dodané bakteriální buňky geneticky upravené tak, aby nejen neškodily, ale naopak, aby byly schopny identifikovat buněčné maligní zvrhlíky, připojit se na ně a zahubit, je zatím ze sci-fi scénáře. Ten je ale mnohem realističtější, než osídlování jiných planet za hranicí naší Sluneční soustavy. Obrovskou výhodou DNA „počítačů“ a senzorů je, že buňka je úžasné a úžasně komplikované, ale zároveň vskutku miniaturní „zařízení“. Jeho modifikace nabízejí bezpočet možností aplikace.
Video: Krátký úryvek z filmu Tajemství života z dílny PBS (Public Broadcasting Service) zjednodušeně přibližuje přepis DNA kódu do mediátorové (messenger) RNA a tvorbu výsledných proteinů podle příslušného genetického návodu.
Diskuze:
