Computerworld, США

Исследователи решили перенести объединение компьютерной науки и биологии на совершенно иной качественный уровень, превратив клетки в живые компьютеры
Научный сотрудник Массачусетского технологического института Томас Найт стал одним из пионеров в этой области, которую он называет «синтетической биологией»

Биологи уже давно используют компьютерные модели и высокопроизводительные вычислительные системы для моделирования и изучения жизненных процессов. Ученые-компьютерщики позаимствовали у биологии идею об иммунизации информационных систем, позволяющей защитить их от вредоносных программ и создать алгоритмы, способные меняться без вмешательства человека. Однако во всех подобных случаях лежащая в основе компьютерная архитектура остается традиционной и ничем не примечательной — программы исполняются кремниевыми процессорами, оперирующими числами.

Но совсем недавно исследователи решили перенести объединение компьютерной науки и биологии на совершенно иной качественный уровень, превратив клетки в живые компьютеры с программируемой ДНК и биомеханической памятью, датчиками, активаторами и механизмами межклеточного взаимодействия.

Научный сотрудник Массачусетского технологического института Томас Найт стал одним из пионеров в этой области, которую он называет «синтетической биологией».

«В 1992 году я понял, что эпоха кремния заканчивается, — сказал Найт, в то время занимавшийся проектированием интегральных схем. — Мы были вынуждены отказаться от электроники и физики в пользу подхода, где роль фундаментальной технологии играет химия. А самая передовая химия — это биохимия».

Сужение целей

Сейчас при разработке микросхем атомы кремния и различных добавок — примесей, необходимых для создания определенных электрических свойств кристалла, размещаются весьма приблизительно, но все же достаточно точно для того, чтобы эти микросхемы работали. Однако по мере уменьшения размеров микросхем размещать атомы в нужном месте становится все сложнее, особенно атомы добавок.

Между тем биологические процессы на протяжении многих миллионов лет позволяют размещать отдельные молекулы и атомы в точно нужном месте и в правильном порядке.

«Клетки — пример безупречной архитектуры. Это самые совершенные из существующих конструктивных объектов, — подчеркнул Найт. — Мы как инженеры не представляем себе, как все это можно построить».

Вместо того, чтобы веками ждать, пока традиционная инженерия дойдет до такого уровня, Найт и научные сотрудники нескольких университетов хотят воспользоваться биологическими механизмами или, точнее, клеточными механизмами. Найт вместе с группой аспирантов создают набор стандартных компонентов, получивших название BioBrick, которые можно применять для создания программируемых организмов.

Каждый компонент BioBrick, их почти 400, находится в небольшой ампуле с жидкостью, содержащей копии тщательно отобранных и хорошо известных фрагментов ДНК. Каждый фрагмент ДНК может определенным образом имитировать операции традиционных компьютерных микросхем. Экземпляры BioBrick можно использовать по отдельности для выполнения очень простых задач либо объединить для выполнения действий более высокого уровня. Они позволяют создавать программируемые организмы, не представляя себе лежащие в основе биологические процессы.

Существуют варианты BioBrick, действующие как логические вентили, выполняющие булевы операции, такие как AND, NOT, NOT AND, OR, NOT OR и так далее. Например, BioBrick, выполняющий операцию AND, генерирует выходной сигнал, который получает биохимический сигнал от обоих входов, а BioBrick, выполняющий операцию OR, порождает сигнал, если сигнал приходит от любого из входов.

Эти биологические компоненты работают крайне медленно с точки зрения традиционных компьютеров, выполняя свои функции в течение нескольких секунд или даже минут, а не миллисекунд. Найт признал, что они вряд ли когда-либо превзойдут миллисекундный уровень.

«Однако это вовсе не означает, что мы не можем использовать биологические компоненты для производства, скажем, углеродных нанотрубок, — подчеркнул он, — которые, в свою очередь, могли бы применяться для создания молекулярных высокопроизводительных компьютеров».

Либо, как заметил Найт, «живые» модули, созданные из BioBrick, помогут в создании кремниевых микросхем с ультравысокой плотностью, позволяя размещать атомы добавок в нужных точках кремниевой решетки.

Рон Вейсс, бывший студент Найта, а теперь преподаватель электротехники и молекулярной биологии Принстонского университета, работает над цифровой логикой внутри клетки и межклеточными взаимодействиями. По его словам, пройдет немало времени, прежде чем синтетическая биология внесет свой вклад в компьютерные технологии.

Польза практическая и не очень

Ученые университета Алберта в Эдмонтоне пытаются создать растение, листья которого меняют форму или цветы меняют цвет, если под растением в земле установлена мина. Корни должны быть генетически изменены для того, чтобы обнаруживать следы взрывчатки в грунте и сообщать эту информацию листьям или цветам.

Это потребует создания в клетках корней растения сенсорных микросхем определенного вида, плюс микросхемы активатора в клетках цветов или листьев с небольшими реальными вычислениями между ними. Однако, как заметил Найт, можно представить себе более совершенные вычислительные механизмы в клетках растений, способные, например, заставить растение расцвести именно к 8 Марта, либо подготовиться к морозу или засухе на основе прогнозов, полученных от синоптиков.

«Самое главное в такого рода вычислениях не то, что они простые или медленные, а то, что они происходят в определенном месте — внутри клетки», — заявил Найт.

Он явно недоволен слухами о вредоносных применениях синтетической биологии. По словам Найта, огромная часть усилий должна, в первую очередь, быть направлена на создание видов инструментальных средств, методов проектирования и изменения, которым могли бы доверять традиционные инженеры.

Способность биологических микросхем к самовоспроизводству делает синтетическую биологию уникальной среди всех инженерных дисциплин.

«Это открывает огромные перспективы, но и сулит определенную опасность», — сказал Найт.

Ученые Массачусетского технологического института ограничивают свою работу двумя видами агентов. Первые — это естественные агенты, которые на 100% безопасны, а вторые — организмы, созданные инженерами, «о которых не известно, что они неизменно вызывают заболевания у здоровых взрослых людей», как сказано в принятом американским правительством определении первого уровня биобезопасности (Biosafety Level 1) по четырехуровневой шкале инфекционной опасности. Найт добавил, что его работа связана с простейшими организмами, и не предполагает добавление функций, которые могут сделать такие организмы опасными.

По словам Найта, более всего надо опасаться того, что другие люди захотят воспользоваться достижениями синтетической биологии в злонамеренных целях.

«Все мощные технологии опасны, а мы разрабатываем мощную технологию, — сказал он. — Самая надежная защита — наша способность делать это быстрее, лучше и дешевле, чем кто бы то ни был».