Бактерии в памяти

Бактериальные клетки можно настроить так, чтобы они записывали и хранили в своей ДНК любую информацию о внешней среде, даже если самим бактериям эта информация не нужна.

ДНК можно уподобить жёсткому диску клетки: в ней хранится вся информация, которая может понадобиться клетке в течение жизни. Иногда, впрочем, эта информация меняется – в ДНК появляются мутации, часть из которых вычищается специальными молекулярными машинами, часть же остаётся и переходит в следующие поколения (если, разумеется, мутации не оказываются смертельно вредными). Однако подобные изменения в информационном хранилище, то есть в ДНК, даже если и происходят из-за работы собственных молекулярных машин, носят случайный характер. А можно ли устроить так, чтобы в ДНК специально сохранялась какая-то информация, подобно тому, как мы делаем записи в блокноте или же сохраняем файл в память компьютера?
Фахим Фарзадфард (Fahim Farzadfard) и Тимоти Лю (Timothy Lu) из Массачусетского технологического института (США) как раз так и сделали – они превратили ДНК бактерий в аналог жёсткого диска, который фиксировал информацию о том, что происходило с клеткой. Кишечная палочка в ответ на какой-то сигнал из внешней среды синтезировала кусок ДНК, а специальный фермент, которым её снабдили, встраивал новосинтезированную ДНК в бактериальный геном, причём в строго определённое место, заданное самими исследователями. Прочитать эту информацию можно было, секвенировав геном бактерии. Либо, если кусок ДНК встраивался в какой-то важный ген, бактерия сама давала знать о том, что она что-то запомнила – просто потому, что ген со вставкой у неё переставал работать. Например, если встраивание происходило в ген, обеспечивающий устойчивость к антибиотику, то кишечная палочка становилась к нему чувствительной и начинала плохо расти и размножаться.
Самое главное, что же за внешние сигналы могли откладываться в ДНК памяти? В статье в Science авторы пишут, что им удалось заставить бактерий запомнить освещение вокруг, а также присутствие в среде двух молекул, производного лактозы и модифицированного антибиотика. Тут необходимо подчеркнуть, что ни свет, ни использованные вещества сами по себе не смогли бы внести никаких модификаций в ДНК кишечной палочки – у них просто не было мутагенной силы. Однако с помощью молекулярной системы, внедрённой в бактериальную клетку, даже такие «ненавязчивые» сигналы извне смогли оставить свой след в ДНК. Причём измеряя количество клеток в культуре, у которых произошли соответствующие изменения, можно было сделать вывод о том, какой интенсивности был сигнал и как долго он длился.
Можно сказать, что исследователи снабдили кишечную палочку сверхчувствительным детектором, который вызывал мутации в ответ на строго определённые раздражители. И здесь просто необходимо сказать про работу, опубликованную Тимоти Лю и его командой в прошлом году в Nature Biotechnology. Статья была посвящена тому, как снабдить клеточный калькулятор памятью. Создание живых – клеточных – вычислительных устройств сейчас привлекает всё больше внимания, особенно после того, как учёные поняли, что логическим операциям можно поставить в соответствие молекулярно-биохимические процессы. То есть, буквально, логический оператор ANDможет запустить в клетке синтез светящегося белка: получив извне два сигнала, клетка с помощью биохимических реакций делает аналог логического сложения и, если операция прошла, сигнализирует об этом белковым свечением.
Однако такой калькулятор будет светиться до тех пор, пока действует импульс. Поэтому следующим шагом было создание клеточно-вычислительной памяти. В качестве её носителя выбрали ДНК – её молекулы достаточно стабильны, остаются целыми даже после разрушения клетки и такая память может перейти в следующее поколение клеток, а мы можем прочесть её, когда нам удобно. В итоге удалось сделать так, что клетка «запоминала», как когда-то она совершила логическое суммирование двух сигналов, причём соответствующее изменение в ДНК держалось на протяжении 90 поколений.
Однако здесь ДНК-память носила цифровой характер: сложение либо случалось, либо не случалось, и в ДНК откладывалось либо «да», либо «нет». В случае логических операций ничего другого, может, и не требуется, однако если мы хотим учесть длительность и силу стимула, то здесь бинарная схема не подходит, нам нужно знать, насколько «да» и как долго это «да» длилось. Новая модификация метода как раз и позволяет сделать аналоговую запись внешнего сигнала: грубо говоря, сила раздражителя будет соответствовать количеству бактерий в популяции, у которых произошли изменения в ДНК.
Применение у таких запоминающих микробов может быть самым разным. Например, бактерии, настроенные запоминать присутствие какого-нибудь загрязнителя, могут работать хорошими экологическими детекторами, и, будучи выпущены в какой-то резервуар с водой, они могут хранить информацию о нежелательных веществах в течение довольно долгого времени. С другой стороны, похожую работу могут выполнять модифицированные бактерии-симбионты, которые будут фиксировать сведения о хороших и плохих веществах, поступивших в наш кишечник, а потом «докладывать» об этом врачам.