Специалисты из Массачусетского технологического института апробировали любопытный подход к моделированию биологических систем «в железе». Созданная ими схема с замечательной точностью воспроизвела ряд аспектов работы настоящей клетки.
Наряду с численным моделированием давно известны попытки построения логических микросхем, имитирующих сигналы и обмен веществ в клетках. Но обычно в таких экспериментах используется двоичная логика, а она лишь очень грубо отражает процессы, идущие в клетке.
Действительно, биологи знают, что если в клетке имеется определённое химическое вещество, происходят одни события, если оно отсутствует — другие. «Но сигналы в клетках — не единицы или нули, — говорит ведущий автор новой работы Рахул Сарпешкар (Rahul Sarpeshkar). — Это слишком упрощённая абстракция». Потому исследователи обратились к полузабытой аналоговой электронике. С её помощью экспериментаторы смоделировали два типа взаимодействий между белками и ДНК.
В необычной схеме использовались транзисторы, как и в цифровых системах, но только здесь у транзисторов было не два состояния (канал открыт или закрыт), а множество промежуточных, переходных состояний с проводимостью той или иной степени. Эти состояния можно было уподобить концентрациям веществ.
Чем больше вы хотите воспроизвести реакций, тем больше вам нужно транзисторов. Причём в случае с двоичными схемами это число нарастает лавинообразно. А аналоговые схемы позволяют обойтись очень скромным числом элементов.
Так в нынешнем исследовании учёные воспроизвели эффект постепенного увеличения концентрации двух различных белков внутри клетки. Оба белка заставляли клетку начать производить другие белки. Но действовали эти исходные вещества по-разному. Первое связывалось с ДНК, давая команду на увеличение синтеза, а второе деактивировало ещё один белок, который тормозил синтез. Оба этих процесса удалось воспроизвести в схемах, состоящих всего из восьми транзисторов каждая.
Конечно, в будущих исследованиях речь может пойти о моделировании сотен или даже тысяч реакций, что поможет биологам разобраться в тонкостях перекрёстного влияния множества биохимических сигналов. Сегодняшняя же работа просто показывает возможности аналогового подхода.