Бактеріальні клітини можна налаштувати так, щоб вони записували і зберігали у своїй ДНК будь-яку інформацію про зовнішнє середовище, навіть якщо самим бактеріям ця інформація не потрібна.
ДНК можна уподібнити жорсткому диску клітини: у ній зберігається вся інформація, яка може знадобитися клітці протягом життя. Іноді, втім, ця інформація змінюється - в ДНК з'являються мутації, частина з яких вичищається спеціальними молекулярними машинами, частина ж залишається і переходить в наступні покоління (якщо, зрозуміло, мутації не виявляються смертельно шкідливими). Однак подібні зміни в інформаційному сховищі, тобто в ДНК, навіть якщо і відбуваються через роботу власних молекулярних машин, носять випадковий характер. А чи можна влаштувати так, щоб у ДНК спеціально зберігалася якась інформація, подібно до того, як ми робимо записи в блокноті або ж зберігаємо файл в пам'ять комп'ютера?
Фахім Фарзадфард (Fahim Farzadfard) і Тімоті Лю (Timothy Lu) з Массачусетського технологічного інституту (США) якраз так і зробили - вони перетворили ДНК бактерій на аналог жорсткого диска, який фіксував інформацію про те, що відбувалося з кліткою. Кишкова паличка у відповідь на якийсь сигнал із зовнішнього середовища синтезувала шматок ДНК, а спеціальний фермент, яким її забезпечили, вбудовував новосинтезовану ДНК в бактеріальний геном, причому в строго визначене місце, задане самими дослідниками. Прочитати цю інформацію можна було, секвенувавши геном бактерії. Або, якщо шматок ДНК вбудовувався в якийсь важливий ген, бактерія сама давала знати про те, що вона щось запам'ятала - просто тому, що ген зі вставкою у неї переставав працювати. Наприклад, якщо вбудовування відбувалося в ген, що забезпечує стійкість до антибіотика, то кишкова паличка ставала до нього чутливою і починала погано рости і розмножуватися.
Найголовніше, що ж за зовнішні сигнали могли відкладатися в ДНК пам'яті? У статті в Science автори пишуть, що їм вдалося змусити бактерій запам'ятати освітлення навколо, а також присутність у середовищі двох молекул, похідного лактози і модифікованого антибіотика. Тут необхідно підкреслити, що ні світло, ні використані речовини самі по собі не змогли б внести ніяких модифікацій в ДНК кишкової палички - у них просто не було мутагенної сили. Однак за допомогою молекулярної системи, впровадженої в бактеріальну клітку, навіть такі «ненав'язливі» сигнали ззовні змогли залишити свій слід у ДНК. Причому вимірюючи кількість клітин в культурі, у яких відбулися відповідні зміни, можна було зробити висновок про те, якої інтенсивності був сигнал і як довго він тривав.
Можна сказати, що дослідники забезпечили кишкову паличку надчутливим детектором, який викликав мутації у відповідь на строго певні подразники. І тут просто необхідно сказати про роботу, опубліковану Тімоті Лю і його командою в минулому році в Nature Biotechnology. Стаття була присвячена тому, як забезпечити клітинний калькулятор пам "яттю. Створення живих - клітинних - обчислювальних пристроїв зараз привертає все більше уваги, особливо після того, як вчені зрозуміли, що логічним операціям можна поставити у відповідність молекулярно-біохімічні процеси. Тобто, буквально, логічний оператор ANDможе запустити в клітці синтез білка, що світиться: отримавши ззовні два сигнали, клітина за допомогою біохімічних реакцій робить аналог логічного додавання і, якщо операція пройшла, сигналізує про це білковим світінням.
Однак такий калькулятор буде світитися до тих пір, поки діє імпульс. Тому наступним кроком було створення клітинно-обчислювальної пам'яті. Як її носій вибрали ДНК - її молекули досить стабільні, залишаються цілими навіть після руйнування клітини і така пам'ять може перейти в наступне покоління клітин, а ми можемо прочитати її, коли нам зручно. У підсумку вдалося зробити так, що клітина «запам'ятовувала», як колись вона зробила логічне підсумовування двох сигналів, причому відповідну зміну в ДНК трималося протягом 90 поколінь.
Однак тут ДНК-пам'ять мала цифровий характер: додавання або траплялося, або не траплялося, і в ДНК відкладалося або «так», або «ні». У разі логічних операцій нічого іншого, може, і не потрібно, однак якщо ми хочемо врахувати тривалість і силу стимулу, то тут бінарна схема не підходить, нам потрібно знати, наскільки «так» і як довго це «так» тривало. Нова модифікація методу якраз і дозволяє зробити аналоговий запис зовнішнього сигналу: грубо кажучи, сила подразника буде відповідати кількості бактерій в популяції, у яких відбулися зміни в ДНК.
Застосування таких мікробів може бути різним. Наприклад, бактерії, налаштовані запам'ятовувати присутність якогось забруднювача, можуть працювати хорошими екологічними детекторами, і, будучи випущені в якийсь резервуар з водою, вони можуть зберігати інформацію про небажані речовини протягом досить довгого часу. З іншого боку, схожу роботу можуть виконувати модифіковані бактерії-сімбіонти, які будуть фіксувати відомості про хороші і погані речовини, що надійшли в наш кишечник, а потім «доповідати» про це лікарям.