Интернет внутри тебя

Не так давно научный мир облетела весть о новом значительном продвижении в области управления процессами на клеточном уровне – в ScienceDaily появилось сообщение, что американские ученые-биоинженеры из Стэнфордского университета Моника Ортиз, кандидат биоинженерных наук, и Дрю Энди, доктор философии, доцент в области биоинженерии, разработали проект пересылки пакетов генетических данных от клетки к клетке посредством вирусов-бактериофагов М13. Тем самым они впервые предоставили возможность формировать сложные многоклеточные сообщества, объединяя их в сеть наподобие интернета.

При этом вирус M13 действует как упаковочный механизм: находясь внутри клетки-хозяина, он захватывает цепи ДНК, отобранные биоинженерами, упаковывает одну за одной и отправляет в окружающую среду заключенными внутри белковой капсулы, выработанной самим M13. Посредством этой капсулы ДНК можно внести внутрь других клеток. Разработка исследователей также дает возможность отбирать среди множества клеток конкретного "адресата". Оказавшись внутри "адресата" – новой клетки-хозяина, вирусы разворачивают упакованную цепь ДНК, и она начинает действовать.

Как указывают авторы разработки, их основанная на M13 система – это, по сути, канал связи, действующий как беспроводное соединение интернета, дающее возможность клеткам отправлять или получать сообщения в защищенном виде, так что канал не оказывает влияния на содержание передаваемых сообщений.

"По сути дела, мы отделили послание от канала. Теперь мы можем посылать любую цепь ДНК, которую захотим, для выбранной нами клетки внутри сложной микробной среды", – пояснила Ортиз, первый автор исследования.

"Посылки" между клетками, находящимися в питательной желеобразной среде, успешно пересылались на расстояние до 7 см. Расстояние гигантское по сравнению с микроскопическими размерами самих клеток, сравнимое с размерами органов. Ученые назвали свое изобретение "биологическим интернетом", заменив при этом Wi-Fi на Bi-Fi. (Bi – "био").

Известно, что в природе для общения друг с другом клетки используют различные механизмы, в том числе химические. Классический пример – медиатор при связи между аксоном и дендритом в мозге. Однако при этом обмен сообщениями весьма ограничен как в плане сложности, так и в плане пропускной способности.

Чтобы преодолеть эти ограничения, ученые-биоинженеры давно присматривались к вирусам: поместить внутрь белковой оболочки вируса нужное наполнение – биологический "софт" и разослать вокруг по "адресатам" для скачивания.

При слове "вирус" тут же возникают мысли о вирусной инфекции, гриппе, энцефалите и так далее, однако не все вирусы приводят клетки к гибели, есть и такие, что мирно сосуществуют, встраивая свой генетический код в цепи ДНК клетки-хозяина и размножаясь вместе с ней. При этом клетка сама воспроизводит и вирус по встроенной им в нее программе. Так и живут в клетке как паразиты или, точнее, симбионты. Ведь вирусы в отличие от клеток ничего не производят и, вообще говоря, не являются клетками – они во много раз меньше, просто небольшие отрезки ДНК, заключенные в капсулу словно "софт" во флешку. Их единственная функция – самовоспроизводиться с помощью механизмов репликации ДНК клетки-хозяина. Так что, когда реплицируется ДНК клетки-хозяина, одновременно реплицируется и ДНК вируса.

С учетом всего этого вирусы издавна считались главными кандидатами на роль векторов для внедрения чужеродной ДНК. За последние годы были разработаны многочисленные "челночные" векторы, однако главным недостатком вирусов как векторов оставалась их небольшая емкость, а также то, что вирусы заражают небольшой круг клеток-хозяев.

В том-то и состоит новизна разработки ученых из Стэнфордского университета, что им удалось преодолеть оба этих недостатка – необыкновенно расширить радиус рассылки, повысить избирательность и увеличить емкость до более чем 40 тыс. комплементарных пар оснований нуклеиновых кислот в "пакете".

С помощью "биологического интернета" Bi-Fi вначале планируется просто повысить производительность процесса клеточного биосинтеза для производства лекарств, топлива и других полезных веществ, а затем постепенно усложнить задачи.

Ученые считают, что по мере продвижения вперед их разработка позволит шире управлять биологическими процессами внутри клеточных сообществ. В частности, предоставит мощный инструмент для биоинженеров, работающих над созданием сложных многоклеточных сообществ, действующих согласованно для выполнения важных биологических функций. Можно будет включить любые закодированные в ДНК генетические команды: "начало роста", "завершение роста", "сближение", "расхождение", "выработка инсулина" и так далее.

Но авторы-биоинженеры видят в дальнейшем куда более широкий спектр применения их разработки.

По их расчетам, если вначале биоинтернет позволит создать цеха биосинтеза, где огромные массы микробов, действуя согласованно, будут вырабатывать более сложное топливо, лекарства и другие химикаты, то по мере совершенствования методики их платформа межклеточной связи сможет когда-нибудь дать возможность осуществить более сложное трехмерное программирование клеточных систем, включая регенерацию тканей или органов.

"Возможность передавать "произвольные" сообщения – фундаментальный скачок от простой взаимосвязи "сигнал-ответ" к истинному языку взаимодействия", – убежден Радика Нагпал, профессор компьютерных наук из Гарварда, который также участвовал в исследовании. – "Оркестровка" согласованного взаимодействия клеток при образовании искусственных тканей или даже искусственных организмов – только одна из возможностей. Это открывает двери для новых биологических систем и решения проблем, не имеющих прямых аналогов в природе".

Кандидат биоинженерных наук Моника Ортиз добавляет: "Биологический интернет пока на самых ранних стадиях. Когда информационный интернет был впервые введен в 70-х годах прошлого века, было трудно себе представить то несметное число его применений, что мы видим сегодня, так что совершенно невозможно предсказать все области, куда эта новая разработка может привести".

Николай Домбровский
№17 (Январь ´13)