Учёные из Стэнфорда повторили транзисторную логику с помощью генной инженерии

Привычно считать, что компьютер - это неодушевлённое устройство из твёрдых материалов, выполняющее расчёты разной сложности на основании заложенной логики, стоит лишь подключить его к электросети и, по желанию, интернету. Однако, логические функции можно заставить выполнять и другие, непривычные объекты. Например - живые организмы.

Название

Транскриптор

Источник/Разработчик

Биологи из Стэнфордского университета: Jerome Bonnet, Peter Yin, Monica E. Ortiz, Pakpoom Subsoontorn, Drew Endy.

Статья опубликована в журнале Science.

Описание

Стандартная транзисторная двоичная логика (два возможных однозначных значения; например: истина-ложь, 0-1, открыто-закрыто) была симулирована c помощью генной инженерии. Транскриптор при этом является составной частью для создания более сложных логических конструкций, транзисторные аналоги которых широко используются в вычислительной технике.

«Потенциал применения в данном случае ограничивается только воображением самого исследователя», - отмечает соавтор исследования Моника Ортиз (Monica E. Ortiz).

Конструкция

Модифицированная с помощью энзимов нить ДНК.

Функции

Учёные реализовали шесть базовых логических элементов: И, ИЛИ, И-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ_ИЛИ, ИЛИ-НЕ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ_ИЛИ-НЕ. Эти базовые элементы составляют основу всей созданной человеком электронике.

Логический элемент И. Лампа включается, только когда П1 и П2 замкнуты.

С помощью транскриптора возможно осуществлять контроль за биологическими процессами, сохранить, изъять или передать информацию от клетки к клетке. В общем, выполнять все типичные для компьютеров функции.

«Вы можете выяснить подвергалась ли клетка воздействию внешних раздражителей, например, глюкозы и кофеина. Гейты Буля в этом случае позволят вам определить и сохранить информацию, благодаря которой вы сможете выяснить, какая из клеток подвергалась, а какая не подвергалась внешнему воздействию».

Технологии

Транскриптор получил название от процесса транскрипции, происходящем во время переноса генетической информации в каждой клетке живых организмов.

При этом, в живых клетках ДНК служит источником, а РНК - носителем переносимой информации. За это копирование отвечает энзим (фермент) полимераза, которая, двигаясь по цепи ДНК, считывает информацию и на лету копирует её, синтезируя РНК. Процесс протекает в строго определённом направлении и завершается, благодаря генам-терминаторам. Если полимераза минует терминатора в пропускающем направлении, синтез продолжается. Когда полимераза достигает участок ДНК с геном-терминатором, расположенном в запрещающем положении, синтез прекращается. Этот ген-ограничитель и послужил основой изобретения.

Схематичный процесс транскрипции.

С помощью энзима-интегразы (способен вырезать и вставлять участки ДНК), учёные расставили на определённых участках ДНК гены-терминаторы в положениях пропустить или запретить, закодировав таким образом требуемую информацию в клетку.

«Выбор необходимых энзимов очень важен. Мы тщательно отобрали энзимы, которые присутствовали в бактериях, грибах, растениях, у животных, чтобы посмотреть, как вариативность таких вот биокомпьютеров будет между собой взаимодействовать. Другими словами мы добились того, чтобы транскрипторы получили ключевые сходства между биологическими транзисторами. Говоря о транскрипторах, всего лишь небольшое изменение или усиление в интегразе способно повлечь за собой большое изменение в поведении любых других двух генов».

В электронике подобный функционал реализуется с помощью транзисторной или транзисторно-диодной логики.

«В биологическом смысле, возможности логики такие же безграничные, как и в электронике», — объясняет автор исследования, Джером Бонне (Jerome Bonne).

Правильность исполнения заложенной функции контроллировалась по интенсивности флуоресценции (за силу который отвечает определённый ген), которую требовалось усилить, в качестве примера, для проверки изобретения.

Дата релиза

Статья опубликована онлайн в журнале Science весной 2013 года.

Других публикаций от автора исследования не обнаружено.

Цена

Стоимость повторной разработки и/или воспроизведения технологии неизвестна.

Функционирующих прототипов на основе технологии нет.

Официальный сайт

Публикация в журнале Science

Дополнение

Учитывая успехи в разработках ДНК-модулей памяти и генетическое реле, а также успешное кодирование информации с помощью биообъектов, представляется возможным создание полноценного биологического компьютера, схожим по функционалу с неорганическими аналогами. Плюсами подобных систем можно считать способность к восстановлению собственной структуры, интегрируемость в другие живые организмы и относительную автономность через возможную адаптацию к окружающей среде.