Přenos možností dnešních výpočetních technologií přímo do živého organismu by mohl obvod využívající stejných procesů jako živé buňky.
Generace vědců sní o samostatně fungujícím programovatelném molekulárním „počítači“, který by pracoval v nitru živé buňky, reagoval by na změny v její aktivitě a dokázal by nitrobuněčné procesy korigovat a řídit.
Konstrukce takových molekulárních počítačů by mohly měnit životní pochody mikrobů, rostlin i živočichů a ovlivňovat jejich chování. Díky americkým vědcům Maung Nyan Winovi a Christině Smolkeové z California Institute of Technology jsme naplnění této fantaskní vize opět o krok blíž.
Win a Smolkeová zkonstruovali základní prvky elektronických počítačů z molekul ribonukleové kyseliny, jež buňkám slouží jako základní informace pro syntézu bílkovin.
K zelenému světlu ve třech krocích Srdcem nově představeného molekulárního počítače je ribozym. Tato krátká molekula ribonukleové kyseliny katalyzuje biochemické změny v jiných molekulách.
Win a Smolkeová napojili na ribozym delší řetězec ribonukleové kyseliny, podle kterého buňky syntetizují zvláštní zeleně fluoreskující protein.
Třetí součást představuje molekula ribonukleové kyseliny, jež slouží jako zapínač pro ribozym. Zapínačovou molekulu lze vybrat tak, aby reagovala na zcela specifický podnět, například na přítomnost molekul antibiotika nebo na určitou bílkovinu.
Když vnesli Win a Smolkeová řetězec ribonukleových kyselin do kvasinek, vyráběl se v nich zelený fluoreskující protein. Jeho přítomnost prozrazoval zelenavý svit v buňkách.
V přítomnosti signální molekuly, například bílkoviny, uvedl zapínač do činnosti ribozym a ten narušil řetězec sloužící jako předloha pro výrobu fluoreskujícího proteinu. Syntéza proteinu ustala a v kvasinkách zavládla tma.
Tento jednoduchý logický prvek je obdobou elektronického logického vstupu označovaného jako NOT. Oba fungují stejně. Když přijde do elektronického zařízení tohoto typu elektrický impulz, přeruší se průchod proudu. Buňka se zabudovaným dálkovým ovládáním V případě molekulárního počítače znamená příchod bílkovinného signálu konec produkce fluoreskujícího proteinu. Z řetězců ribonukleové kyseliny lze konstruovat různé typy základních „součástek“ molekulárního počítače a z těch pak samozřejmě vytvářet složitější logické prvky. Některé například reagují jen na určitou kombinaci signálů - jakési molekulární heslo. Detailní popis studie otiskl časopis Science.
Oba vědci jsou přesvědčeni, že bude celkem jednoduché vnést uměle vytvořené molekuly ribonukleové kyseliny do savčích buněk nebo do bakterií a propojit větší počet těchto molekul tak, aby v buňce mohly vykonávat složitější operace.
Molekulární logický obvod by mohl reagovat na poměrně komplikovaný signál hned několika molekul, jež jsou produkovány buňkou v různých stavech. Také odezva by mohla být komplexní. Buňka by například spustila produkci širšího spektra chemických látek, od hormonů až třeba po léky.
„Je to neobyčejně důležitý krok na poli syntetické biologie a živých počítačů,“ hodnotí výsledky práce Wina a Smolkeové harvardský expert na živé počítače Kobi Benenson.
Benenson v roce 2007 propašoval do živé buňky logický prvek vytvořený z molekuly DNA. Jako signál použil syntetické molekuly, jež jsou buňkám cizí. Přínos Wina a Smolkeové spočívá kromě jiného i v tom, že jejich součástky pro molekulární počítač reagují v buňce na její vlastní molekuly.
***
Logická hradla v buňce
Ribonukleová kyselina (RNA) zajišťující v živých organismech okopírování genetické informace z DNA může být základem biologického počítače, v jehož možnostech by bylo ovlivnění funkce jednotlivých buněk. Základní logický prvek (hradlo) takového počítače nereaguje na rozdílné úrovně elektrického napětí (logická jednička či nula) jako v klasických součástkách, ale na přítomnost či nepřítomnost konkrétní látky, například antibiotik.
Na každou kombinaci vstupu „genetické hradlo“ reaguje výstupem, který odpovídá realizovanému logickému prvku (viz tabulka pro funkci AND a NOR). Výstupem je specifická bílkovina. Maung Nyan Win a Christina Smolkeová z Caltecu použili jako výstup populární zeleně fluoreskující protein, látku, za jejíž objev byla letos udělena Nobelova cena za chemii. Skutečnost, že prvek pracuje správně, tak bylo možné snadno ověřit.
FOTO: NATURE, SCIENCE, ARCHIV // KOLÁŽ ŠIMON / LN Win a Smolkeová dokázali realizovat hradla provádějící operace OR, AND, NOT i NAND. Z nich už lze sestavit libovolný obvod. Hradlo AND (logický součin) výstup Toto hradlo syntetizuje zelený 0001 protein jen tehdy, když na obou vstupech je přítomna požadovaná látka, například antibiotikum. vstup A vstup B
Hradlo NOR (negovaný logický součet) Stačí přítomnost jedné z látek, na níž je hradlo „nastaveno“, aby se produkce fosforeskující látky zastavila.
