Создан язык программирования для проектирования схем ДНК

Инженеры-биологи из MIT создали язык программирования, который позволяет им быстро разрабатывать сложные закодированные по принципу ДНК схемы, наделяющие живые клетки новыми функциями.

Используя этот язык, любой желающий может написать программу для любой функции живой клетки, например, функции обнаружения и реагирования на определенные условия окружающей среды. Затем язык может сгенерировать последовательность ДНК, которая будет служить заданной цели.

«Это буквально язык программирования для бактерий», — рассказывает Кристофер Фойгт, профессор Массачусетского технологического института биологической инженерии. «Вы можете использовать этот текстовый язык так же, как при программировании компьютера. Затем вы берете этот текст, компилируете его и превращаете в ДНК-последовательность. Последовательность вживляется внутрь клетки, и схема начинает работать».

Фойгт и его коллеги из Бостонского университета и Национального института стандартов и технологий использовали этот язык, чтобы строить схемы, которые могут иметь до трех входов и реагируют по-разному. Будущие приложения для такого рода программ включают в себя проектирование бактериальных клеток, которые могут производить лекарство от рака, обнаружив опухоль, или создание дрожжевых клеток, которые могут остановить свой собственный процесс брожения, если токсичных побочных продуктов станет слишком много.

За последние 15 лет биологи и инженеры разработали множество генетических частей, таких как датчики, переключатели памяти и биологические часы, которые могут быть объединены, чтобы изменить существующие клеточные функции и добавлять новые.

Тем не менее, проектирование каждой цепи представляет собой трудоемкий процесс, который требует большого опыта и основан на методе проб и ошибок. «Чтобы понять, как все эти части будут работать вместе, вам нужно иметь очень глубокие познания», — говорит Фойгт.

Однако пользователям нового языка не понадобится глубоких знаний в генной инженерии.

«Любой, даже школьник, может зайти на веб-сервер и напечатать программу, которая вернет последовательность ДНК».

Язык основан на Verilog, который обычно используется как язык описания аппаратуры (HDL). Чтобы создать версию языка, которая будет работать для клеток, исследователи разработали вычислительные элементы, такие как логические элементы и датчики, которые могут быть закодированы в ДНК бактериальной клетки. Датчики могут обнаруживать различные соединения, такие как кислород или глюкоза, а также детектировать свет, температуру, кислотность и другие условия окружающей среды. Пользователи также могут добавлять свои собственные датчики. «Язык тонко настраивается», — замечает Фойгт.

Самой большой проблемой, по словам ученого, было проектирование 14 логических элементов, используемых в схемах, таким образом, чтобы они не мешали друг другу, оказавшись в сложной среде живой клетки.

В текущей версии языка программирования эти генетические части оптимизированы для кишечной палочки, но исследователи работают над расширением языка для других штаммов бактерий, включая Bacteroides, обычно встречаются в кишечнике человека, а также Pseudomonas, которые часто живет в корнях растений, а также дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Это позволит пользователям записывать одну программу, а затем компилировать его для различных организмов, чтобы получить правильную последовательность ДНК для каждого из них.

Используя этот язык, исследователи запрограммировали 60 схем с различными функциями. Из них 45 заработали правильно на первом же испытании. Многие из схем были разработаны для измерения одного или более условий окружающей среды, например, уровеня кислорода или концентрации глюкозы, и должныв были реагировать на них соответствующим образом. Еще одна схема имела три различных входа, а затем реагировала на основе приоритета каждого из них.

Одна из новых схем — крупнейшая биологическая цепь, когда-либо создававшаяся: она содержит 6 логических вентилей и окло 12000 пар ДНК.

Еще одним преимуществом этого метода является его скорость. Раньше «вам потребовались бы годы, чтобы построить эти схемы. Теперь вы можете просто нажать кнопку и сразу же получить последовательность ДНК», — говорит Фойгт.

Его команда планирует разработать несколько приложений, использующих этот подход: бактерии, способные помочь в переваривании лактозы, бактерии, которые могут жить на корнях растений и производят инсектицид, если чувствуют, что растение находится под атакой, и дрожжи, которые могут выключаться, когда в процессе ферментации производится слишком много токсичных побочных продуктов.