Генетический материал был введен в бактериальную клетку в виде плазмиды: относительно короткой молекулы ДНК, которая остается отдельной от "естественного" генома бактерий. Плазмиды также существуют в природе и выполняют различные функции. Исследовательская группа спроектировала генетическую последовательность плазмиды так, чтобы она функционировала как простой компьютер, или, более конкретно, простая искусственная нейронная сеть. Это было сделано с помощью нескольких генов на плазмиде, регулирующих активацию и деактивацию друг друга в соответствии с внешними стимулами.

Что значит, что ячейка - это схема? Как компьютер может быть биологическим?

На самом базовом уровне компьютер состоит из 0s и 1s, переключателей. С этими переключателями выполняются операции: их суммирование, выбор максимального или минимального значения между ними и т.д. Более продвинутые операции основаны на базовых, позволяя компьютеру играть в шахматы или запускать ракету на Луну.

В известных нам электронных вычислительных машинах переключатели 0/1 имеют форму транзисторов. Но наши клетки - это тоже компьютеры, только другого рода. Там присутствие или отсутствие молекулы может действовать как переключатель. Гены активируют, запускают или подавляют другие гены, формируя, модифицируя или удаляя молекулы. Синтетическая биология стремится (среди прочих целей) использовать эти процессы, синтезировать переключатели и программировать гены, которые заставили бы бактериальную клетку выполнять сложные задачи. Клетки естественным образом приспособлены воспринимать химические вещества и производить органические молекулы. Возможность "компьютеризировать" эти процессы внутри клетки может иметь серьезные последствия для биомедицинского производства и иметь множество медицинских применений.

Аспиранты (ныне врачи) Луна Ризик и Лоаи Даниал, вместе с доктором Муной Хабиб, под руководством проф. Рамез Даниэль с факультета биомедицинской инженерии Техниона и в сотрудничестве с проф. Рон Вайс из Центра синтетической биологии Массачусетского технологического института был вдохновлен тем, как функционируют искусственные нейронные сети. Они создали синтетические вычислительные схемы, комбинируя существующие генетические "части", или сконструированные гены, новыми способами, и внедрили концепции нейроморфной электроники в бактериальные клетки. Результатом стало создание бактериальных клеток, которые можно обучать с помощью алгоритмов искусственного интеллекта.

Группе удалось создать гибкие бактериальные клетки, которые можно динамически перепрограммировать для переключения между сообщением о наличии хотя бы одного из тестируемых химических веществ или двух (то есть клетки могли переключаться между выполнением функций ИЛИ и). Ячейки, которые могут динамически изменять свое программирование, способны выполнять различные операции в различных условиях. (Действительно, наши клетки делают это естественным образом.) Возможность создавать и контролировать этот процесс открывает путь для более сложного программирования, делая сконструированные ячейки пригодными для более сложных задач. Алгоритмы искусственного интеллекта позволили ученым произвести необходимые генетические модификации бактериальных клеток со значительно меньшими затратами времени.

Идя дальше, группа использовала еще одно естественное свойство живых клеток: они способны реагировать на градиенты. Используя алгоритмы искусственного интеллекта, группе удалось использовать эту природную способность для создания аналого-цифрового преобразователя - ячейки, способной сообщать, является ли концентрация конкретной молекулы "низкой", "средней" или "высокой". Такой датчик можно было бы использовать для доставки правильной дозы лекарств, включая иммунотерапию рака и лекарства от диабета.

Из исследователей, работающих над этим исследованием, доктор Луна Ризик и доктор Моуна Хабиб родом с факультета биомедицинской инженерии, в то время как доктор Лоай Даниал - с факультета электротехники Эндрю и Эрны Витерби. Именно объединение двух областей позволило группе добиться того прогресса, которого они добились в области синтетической биологии.

Эта работа была частично профинансирована Фондом семьи Нойбауэр, Израильским научным фондом (ISF), Программой исследований и инноваций Европейского союза "Горизонт 2020", междисциплинарным центром наук о жизни и инженерии имени Лорри И. Локи Техниона и Агентством перспективных исследовательских проектов в области обороны.