Tyrėjai sukūrė būdą, kaip programuoti žmogaus ląsteles atlikti skaičiavimus ir priimti autonominius sprendimus, panašiai kaip veikia kompiuterių lustai.
Naujame tyrime, paskelbtame žurnale „Nature Communications“, doktorantė Keren Roas ir dr. Lior Nissim iš Hebrajų universiteto sukūrė dirbtines genetines sistemas žmogaus ląstelių viduje, kurios gali apdoroti informaciją ir vykdyti sudėtingas instrukcijas. Ateityje ši pažanga galėtų padėti mokslininkams kurti išmanesnius ląstelėmis pagrįstus gydymo būdus tokioms ligoms kaip vėžys.
Meninis ląstelių, atliekančių biologinius skaičiavimus, vaizdavimas. Šaltinis: Jeruzalės Hebrajų universitetas / Dirbtinio intelekto sukurta iliustracija
Kodėl tai svarbu? Mokslininkai jau seniai norėjo programuoti ląsteles atpažinti ligas ir reaguoti automatiškai. Tačiau genetinių programų kūrimas ląstelių viduje buvo sudėtingas dėl reikiamų genetinių elementų trūkumo.
Tradicinės genetinės grandinės veikia šiek tiek kaip aukštas pastatas: kiekvienai naujai instrukcijai reikia kito skaičiavimų sluoksnio ląstelės viduje. Sistemai tampant vis sudėtingesne, šių skaičiavimų našumas ir patikimumas sparčiai mažėja.
Ląstelės skaičiuoja atlikdamos mažiau žingsnių
„Mūsų naujas metodas leidžia ląstelėms vykdyti sudėtingas programas naudojant daug mažiau skaičiavimų ir genetinių statybinių blokų“, – teigė dr. Nissim. „Tai leidžia kurti daug pažangesnes biologines programas neprarandant funkcionalumo.“
Tyrėjai panaudojo natūralų procesą, vadinamą RNR transsplaisingu, kurio metu genetinių pranešimų dalys gali būti sujungtos ląstelės viduje ir sujungtos su jų sukurtais natūraliais ir dirbtiniais reguliavimo elementais.
Jie sukūrė specialius molekulinius įrankius, kurie veikia kaip biologiniai procesoriai. Svarbūs genetiniai elementai buvo sukurti taip, kad sukeltų pasirinktų genų ekspresiją pagal iš anksto nustatytą genetinę programą.
Kadangi atliekant sudėtingus skaičiavimus vienu metu galima apdoroti kelis signalus, sistema yra daug efektyvesnė nei ankstesni projektai.
Norėdama pademonstruoti technologiją, komanda sukūrė biologinius įrenginius, kurie veikia panašiai kaip kompiuterio dalys.
Vienas iš pavyzdžių buvo biologinis „pilnas sumatorius“, kuris gali atlikti paprastus dvejetainius matematinius veiksmus, panašiai kaip 3 bitų įrenginys kompiuterio procesoriuje.
Tyrėjai taip pat sukūrė biologinę multiplekserio versiją – elektroninį komponentą, kuris iš kelių variantų pasirenka vieną signalą ir siunčia jį į priekį. Šiuos signalus jie sekė naudodami skirtingomis spalvomis švytinčius fluorescencinius baltymus.
Sistema netgi turėjo saugos funkciją. Jei ląstelė aptiko netinkamą arba perkrautą konfigūraciją, ji sukūrė specialų įspėjamąjį signalą. Ateityje tai galėtų padėti išvengti medicininio gydymo klaidų, sukeldama apsaugines reakcijas.
Galimi medicininiai panaudojimo būdai
Ši technologija vieną dieną galėtų būti naudojama kuriant išmaniąsias terapines ląsteles, kurios nuolat stebi savo aplinką ir atitinkamai reaguoja.
Pavyzdžiui, užprogramuota ląstelė galėtų vienu metu tikrinti kelis ligos žymenis ir skirti gydymą tik tada, kai aptinkamas konkretus derinys. Tai leistų terapijai tiksliau nukreipti į pažeistus audinius, kartu sumažinant žalą sveikoms ląstelėms.
Norėdami pademonstruoti šią idėją, tyrėjai užprogramavo ląsteles gaminti interleukiną-15 (IL-15) – imuninės sistemos baltymą, kuris gali padėti su vėžiu kovojančioms imuninėms ląstelėms tapti aktyvesnėms.
Sumažindama genetinės medžiagos ir energijos kiekį, reikalingą ląstelių sprendimams priimti, ši nauja sistema suteikia mokslininkams galingą ir lankstų įrankių rinkinį gyvoms ląstelėms programuoti.
Tobulėjant technologijoms, ateities vaistai gali būti kuriami panašiai kaip programinė įranga, naudojant biologinį „kodą“, kuris tiksliai nurodys ląstelėms, kada ir kaip diagnozuoti ligas ir į jas reaguoti.
Autorė Danae Marx, Jeruzalės Hebrajų universitetas
Keren Roas et al, Modular Scalable Synthetic Gene Circuits for Complex Functions Within Minimal Computational Layers in Human Cells, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-74408-y
Journal information: Nature Communications