Используя этот язык, любой может написать программу для нужной функции, например, для обнаружения определенных условий окружающей среды и реагирования на них. Затем они могут сгенерировать последовательность ДНК, которая ее достигнет.
«Это буквально язык программирования для бактерий», — говорит Кристофер Фойгт, профессор биологической инженерии Массачусетского технологического института. "Вы используете текстовый язык, как будто программируете компьютер. Затем вы берете этот текст, компилируете его, и он превращает его в последовательность ДНК, которую вы помещаете в ячейку, и схема проходит внутри ячейки."
Войт и его коллеги из Бостонского университета и Национального института стандартов и технологий использовали этот язык, который они описали в выпуске журнала Science от 1 апреля, для создания схем, которые могут обнаруживать до трех входных сигналов и реагировать по-разному. Будущие приложения для этого вида программирования включают разработку бактериальных клеток, которые могут производить лекарство от рака при обнаружении опухоли, или создание дрожжевых клеток, которые могут остановить свой собственный процесс ферментации, если накапливается слишком много токсичных побочных продуктов.
Исследователи планируют сделать интерфейс пользовательского дизайна доступным в Интернете.
Опыт не нужен
За последние 15 лет биологи и инженеры разработали множество генетических компонентов, таких как датчики, переключатели памяти и биологические часы, которые можно комбинировать для изменения существующих функций клеток и добавления новых.
Однако проектирование каждой схемы — трудоемкий процесс, требующий большого опыта и часто много проб и ошибок. «У вас должно быть действительно глубокое знание того, как эти части будут работать и как они собираются соединиться», — говорит Фойгт.
Однако пользователям нового языка программирования не нужны специальные знания в области генной инженерии.
"Вы могли быть совершенно наивными в отношении того, как все это работает. Вот что в этом действительно особенного, — говорит Фойгт. "Вы можете учиться в старшей школе, зайти на веб-сервер и набрать нужную программу, и она вернет последовательность ДНК."
Язык основан на Verilog, который обычно используется для программирования компьютерных микросхем. Чтобы создать версию языка, которая будет работать для клеток, исследователи разработали вычислительные элементы, такие как логические вентили и датчики, которые могут быть закодированы в ДНК бактериальной клетки.
Датчики могут обнаруживать различные соединения, такие как кислород или глюкоза, а также свет, температуру, кислотность и другие условия окружающей среды. Пользователи также могут добавлять свои собственные датчики. "Это очень настраиваемый", — говорит Фойгт.
Самая большая проблема, по его словам, заключалась в разработке 14 логических вентилей, используемых в схемах, чтобы они не мешали друг другу, будучи помещенными в сложную среду живой клетки.
В текущей версии языка программирования эти генетические части оптимизированы для E. coli, но исследователи работают над расширением языка для других штаммов бактерий, в том числе Bacteroides, обычно встречающихся в кишечнике человека, и Pseudomonas, которые часто обитают в корнях растений, а также дрожжей Saccharomyces cerevisiae.
Это позволит пользователям написать одну программу, а затем скомпилировать ее для разных организмов, чтобы получить правильную последовательность ДНК для каждого из них.
Биологические схемы
Используя этот язык, исследователи запрограммировали 60 схем с различными функциями, и 45 из них работали правильно при первом тестировании. Многие из схем были разработаны для измерения одного или нескольких условий окружающей среды, таких как уровень кислорода или концентрация глюкозы, и реагируют соответствующим образом.
Другая схема была разработана для ранжирования трех разных входов и последующего реагирования в зависимости от приоритета каждого из них.
Одна из новых схем — самая крупная из когда-либо построенных биологических схем, содержащая семь логических вентилей и около 12000 пар оснований ДНК.
Еще одно преимущество этой техники — ее скорость. До сих пор «на создание таких схем потребовались годы.
Теперь вы просто нажимаете кнопку и сразу получаете последовательность ДНК для тестирования », — говорит Войгт.
Его команда планирует работать над несколькими различными приложениями, используя этот подход: бактерии, которые можно проглотить, чтобы помочь в переваривании лактозы; бактерии, которые могут жить на корнях растений и производить инсектициды, если чувствуют, что растение подверглось атаке; и дрожжи, которые могут быть сконструированы так, чтобы отключаться, когда они производят слишком много токсичных побочных продуктов в реакторе ферментации.
Ведущий автор научной статьи — аспирант Массачусетского технологического института Алек Нильсен.
Другими авторами являются бывший постдок MIT Брайан Дер, постдок MIT Джонхён Шин, аспирант Бостонского университета Прашант Вайдьянатан, доцент Бостонского университета Дуглас Денсмор и исследователи Национального института стандартов и технологий Ваня Параланов, Элизабет Стрихальски и Дэвид Росс.