Идея управления функционированием биологических живых клеток при помощи специальной электроники достаточно давно являлась лишь предметом научной фантастики. Но современные ученые уже некоторое время ведут исследования в данном направлении, видя во всем этом новые методы борьбы с различными заболеваниями.

И, благодаря усилиям группы ученых из университета Мэриленда (University of Maryland, UM), электронное управление живыми клетками человеческого организма стало на один шаг ближе. Эти ученые разработали электрогенетическую "переключающую" систему, внедрили ее в бактериальные клетки и при ее помощи обрели способность управлять поведением одноклеточных организмов.

Главной проблемой в создании электрогенетической гибридной системы было то, что обе ее составных части работают совершенно различными способами. Клетки, из которых состоят все живые существа, по крайней мере здесь, на Земле, обмениваются информацией с другими клетками посредством специальных молекулярных каналов. Используя процесс, называемый экспрессией генной информации, хранящейся в ДНК каждой клетки, внутри нее производятся молекулы, такие, как определенные белки, ферменты и гормоны, которые и используются в качестве носителей передаваемой информации. Электронные же системы, как нам хорошо известно, для передачи информации используют потоки электронов, получаемые из источника энергии.

К сожалению, потоки электронов неспособны циркулировать внутри биологических систем также свободно, как по медным проводникам. Однако, внутри живых клеток существуют молекулы, способные выступать в роли неплохих проводников тока. Эти молекулы, относящиеся к классу окислительно-восстановительных биомолекул, могут накапливать и высвобождать электроны от внешнего источника во время химических реакций окисления и восстановления, в которых они принимают участие.

Ученым удалось внести в структуру окислительно-восстановительных биомолекул естественного происхождения некоторые изменения, превратившие ее в проводник электрического тока, текущего от одного электрода к другому. Глубина окислительной и восстановительной реакции определяется величиной и направлением текущего через молекулу тока, а при отключении тока молекула продолжает сохранять свое текущее состояние достаточно долгое время.

Модифицированные окислительно-восстановительные биомолекулы, помещенные внутрь одноклеточных организмов, стали работать в качестве "выключателей", активизирующих определенные процессы генной экспрессии. Это, в свою очередь, позволило управлять некоторыми из функций одноклеточных организмов простым щелчком выключателя и нажатием кнопки.

В качестве эксперимента были созданы микроорганизмы, начинавшие вырабатывать флуоресцентный зеленый белок при получении соответствующего электрического сигнала. И эти микроорганизмы в буквальном смысле начинали светиться, когда они были "включены" электрическим способом. Во второй вид экспериментальных микроорганизмов был встроен механизм управления синтезом белка CheZ, который стимулирует двигательную функцию этих организмов. И при помощи электрических сигналов ученые смогли управлять процессом движений и перемещения модифицированных бактерий.

"Электроника уже давно изменила нашу повседневную жизнь. И теперь, когда мы научились соединять электронику и биологию, мы получили возможность электронного управления нашим организмом на самом малом уровне, на уровне отдельных клеток и заключенной в них ДНК" - рассказывает Грегори Пэйн (Gregory Payne), участник исследовательской группы, - "Все это имеет огромный потенциал для создания "умных" гибридных биоэлектронных устройств, которые позволят организму успешно бороться даже с самыми тяжелыми заболеваниями, к примеру, с раком".

Недавно исследователям из Научно-исследовательском института Скриппса (The Scripps Research Institute, TSRI) удалось создать первый стабильный и жизнеспособный полусинтетический микроорганизм, способный к самостоятельному размножению, генетический код которого содержит пары дополнительных оснований. Этот одноклеточный организм может не только жить, подобно другим одноклеточным, но и воспроизводить ДНК с дополнительными основаниями в процессе деления, передавая избыточную генетическую информацию своему потомству.

Клетки всех организмов естественного происхождения содержат записанную в их ДНК генетическую информацию, закодированную в виде последовательности пар из четырех оснований - A, T, C, G (Аденин (Adenine), Тимин (Thymine), Цитозин (Cytosine) и Гуанин (Guanine)). Каждое из этих оснований может образовывать пару исключительно только с одним из других оснований, A с T и C с G. Такие пары, нуклеотиды, связываются в цепочки при помощи ковалентных связей между сахаридной частью одной молекулы и фосфатной частью следующей.

Ученые из TSRI добавили в генетический код бактерий вида E.coli участки с еще двумя синтетическими основаниями, получивших условные названия X и Y. Получившаяся ДНК была внедрена в образцы бактерий, которые были потом простимулированы химическим путем для того, чтобы они могли выживать и размножаться, копируя свою видоизмененную ДНК.

"Нам впервые в истории науки удалось создать жизнеспособный полусинтетический организм" - рассказывает профессор Флойд Ромесберг (Floyd Romesberg), - "Более того, этот организм, благодаря наличию у него дополнительного генетического кода, может обладать весьма необычными свойствами. И все это демонстрирует нам то, что все определяющие жизнедеятельность процессы могут быть подвержены целенаправленной манипуляции и изменениям".

Следует заметить, что первые успешные эксперименты по введению в генетический код бактерий E.coli дополнительных оснований X и Y были выполнены учеными в 2014 году. Но те первые бактерии не могли передавать дополнительный код своим потомкам, синтетические основания попросту терялись при копировании ДНК во время деления клеток.

Внедрение дополнительных оснований с ДНК бактерии сначала достаточно плохо отразилось на состоянии ее "здоровья". Видоизмененные бактерии оказались вялыми, медленными и малоактивными. Но ученые нашли решение данной проблемы, улучшив "транспортер нуклеотидов", механизм, который стал способен копировать новые пары оснований.

Для всех манипуляций с геномом ученые использовали инструмент CRISPR-Cas9, а полученные при его помощи микроорганизмы сохраняли в неизменном состоянии свой "расширенный" генетический код на протяжении 60 последующих поколений. Этого факта достаточно для того, чтобы признать, что новые видоизмененные бактерии смогут сохранять свой вид в течение неопределенно долгого времени.

Процедура видоизменения ДНК с внесением синтетических оснований применима только по отношению к одноклеточным организмам и для нее сейчас не имеется областей практического применения. Однако, в дальнейшем такая ситуация может измениться, а ученые из TSRI уже начали новые исследования, направленные на создание процедуры расшифровки ДНК с расширенным набором оснований и определение видов белков, которые могут быть синтезированы на основе информации из такой ДНК.