Дрю Энди и его коллеги Джером Бонне и Пакпум Субсунторн из Стэнфордского университета (США) смогли создать полноценную ячейку памяти на основе молекул ДНК, экспериментируя с двумя вирусными ферментами - белками интегразой и эксцизионазой.
Данные соединения используются вирусами для проникновения в клетки жертвы и саморазмножения в их ядре. Интеграза ускоряет процесс включение тела вируса в хромосому заражаемой клетки. А эксцизионаза при критическом повреждении клетки удаляет тело вируса из ДНК жертвы.
Ученые приспособили эти ферменты для механизма, позволяющего кодировать в ДНК информацию в цифровом виде и редактировать ее без нарушения целостности памяти - RAD-модуля, как назвали изобретатели свое устройство.
Творение Энди и его коллег представляет собой длинную последовательность из множества коротких нуклеотидов - кирпичиков ДНК. Они соединены друг с другом специальными метками, которые используются для распознания таких участков ДНК. Каждый такой фрагмент представляет собой отдельную ячейку информации, своеобразный биологический бит.
Логическое содержимое ячейки памяти определяется тем, как подключена цепочка нуклеотидов к обрамляющим ее меткам. При прямом соединении она означает "1", а при обратном - "0". В этом случае интеграза и эксцизионаза используются для переключения состояния ячейки - соединение первого белка с ячейкой вносит в него логическую единицу, а комбинация ферментов обнуляет ее.
Биоинженеры провели свыше 700 экспериментов, пытаясь защитить био-память от помех в виде лишних молекул ферментов, аномально высокой концентрации одного из них поблизости от ячейки информации и других случайных процессов.
"Проблема заключалась в том, что белки крайне своевольны - если оба вещества были активны в клетке или содержались в ней в неправильной пропорции, они помещали в наши ячейки памяти кучу случайных значений. За последние три года мы провели 750 экспериментов и подобрали подходящий баланс ферментов", - пояснил Энди.
Специалисты испытали свое изобретение, вставив множество однобитных ячеек памяти в клетку кишечной палочки (Escherichia coli). Эти RAD-модули испускали фотоны красного света в случае, если они содержали логическую "1", и не светились при "0".
Эксперимент прошел удачно - ячейки памяти всегда переключались из одного состояния в другое при добавлении точно отмеренного количества ферментов и сохраняли информацию даже при отсутствии этих белков. Более того, ячейки памяти не разрушались и успешно передавались при делении бациллы. Как утверждают исследователи, RAD-модули оставались в бактериях даже через 100 циклов размножения.
Новое изобретение может быть использовано для изучения процессов, протекающих в раковых клетках, при старении организма, его росте и в других сложных биологических системах.
