Биоинженерам из Стэнфордского университета удалось модифицировать вирус M13, а именно – изменить его ключевые атрибуты, способность паковать и передавать произвольные цепочки ДНК, с целью создания того, что можно назвать биологическим Интернетом или «Bi-Fi».
Посредник для передачи данных
Используя вирус, исследователи создали биологический механизм, который способен рассылать генетические сообщения от клетки к клетке. Эта система кардинально увеличила сложность и объёмы данных, которые можно передавать между клетками и способна привести к большему контролю над биологическими функциями внутри «сообщества» ячеек.
M13 является упаковщиком генетических сообщений. Он репродуцируется внутри хозяина, берёт цепочки ДНК (контролируемые биоинженерами), свёртывает их одну за другой и их заключает в капсулу с протеином (произведенным M13), который может инфицировать другие клетки. Попав внутрь другого организма, они выпускают упакованное ДНК-сообщение.
Система на базе M13 — это коммуникационный канал, который функционирует подобно беспроводному интернет-соединению, позволяющий клеткам отсылать или принимать сообщения, независимо от того, какие сведения они содержат.
«По существу, мы отделили сообщения от канала. Мы можем теперь отправлять любую ДНК-цепочку в выбранную клетку в пределах комплексного микробного сообщества», — отмечают ученые.
Хорошо известно, что клетки естественным образом используют различные механизмы, включая химические соединения, для коммуникаций, однако такие сообщения могут быть очень сильно ограничены по сложности и пропускной способности. Простые химические сигналы представляют собой как сообщение, так и ДНК-посредника — обе функции нельзя разделить.
Иными словами, если ваше соединение основано на сахаре, тогда ваше сообщение сводится к вариантам ‘больше сахара’, ‘меньше сахара’, или ‘без сахара’.
Клетки, модифицированные посредством M13, можно запрограммировать для обмена более сложными и разнообразными сообщениями. Их вариации ограничены только тем диапазоном данных, который может быть закодирован в ДНК и таким образом включать любой тип генетических инструкций: начало роста, остановка роста, приблизится, отдалиться, произвести инсулин и так далее.
Скорость и диапазон
Связывая ДНК для межклеточного обмена сообщениями исследователи значительно увеличили объёмы данных, которые можно передать за один раз. В цифровых терминах: они увеличили битовую скорость передачи данных своих систем. Наибольшая ДНК цепочка M13 включает свыше 40 тысяч пар оснований. Такие пары, подобные 1 и 0 в цифровом кодировании, являются базовыми строительными блоками генетических данных. Большинство генетических сообщений, представляющих интерес для биоинженерии, лежат в диапазоне от нескольких сотен до многих тысяч пар оснований.
Учёным удалось передать генетические сообщения от клетки к клетке, разделенной желатиновой средой, на расстояние свыше7 см, а это достаточно большое достижение.
В перспективе подобный биологический Интернет позволит создавать биосинтезирующие фабрики, в которых огромные массы микробов взаимодействуют с целью синтеза более сложного горючего, фармацевтических и других видов химикалий. Более того, исследователи полагают, что такая коммуникационная платформа «клетка-клетка» в будущем приведет к сложному трехмерному программированию клеточных систем, включая регенерацию тканей или даже органов. Подобные разработки открывают двери к абсолютно новым биологическим системам, не имеющим аналогов в природе.
Однако произойдет это не так скоро, отмечают учёные. Биологический Интернет находится на самой ранней стадии развития. Когда в начале 70-х зародилась всемирная сеть Интернет, мало кто мог представить, что через несколько десятков лет её будут использовать миллиарды людей. Точно так же, сегодня трудно прогнозировать, к чему приведёт развитие биологического Интернета.
