Інноваційні дослідження вчених Массачусетського технологічного інституту відкривають нові горизонти у дослідженні та проектуванні біологічних схем – систем, які, як і звичні вже для людства електронні схеми, можуть приймати інформацію на сукупність входів, та обробивши її, видавати результат на своїх виходах.
Основною проблемою з якою до сьогодні стикаються дослідники біологічних систем, є те, що на відміну від окремого компоненту біологічної схеми, реакція якого на вхідну інформацію є чіткою та передбачуваною, з зростанням складності схеми побудованої з таких елементів – надійність результатів значно падає. Така нестійкість перешкоджає подальшому розвитку даної галузі та подальшому практичному використанню систем побудованих з біологічних елементів.
Біологічні схеми в перспективі можуть широко використовуватись в різних галузях науки де не можливе чи значно ускладнене використанні електронних схем. Але, напевне, найкориснішими вони будуть в медицині.
Нові результати досліджень біологічних схем були опубліковані на цьому тижні в журналі Nature Biotechnology, в роботі доцента машинобудування Домітіло Дель Векіо (Domitilla Del Vecchio) та професора біологічної інженерії Рона Вейса (Ron Weiss), яким вдалось отримати схеми з значно стабільнішими та надійнішими результатами реакції на вхідні данні.
Дель Векіо та Вейс працюють над створенням систем «біозчитування» – біологічними клітинами, які здатні виявляти в оточуючому середовищі специфічні молекули чи організми та продукувати відповідну реакцію на них. Прикладом можуть бути біологічні схеми, що виявляють маркери ракових клітин та викликають цільові молекули для їх знищення. Або системи, які постійно вимірюватимуть рівень глюкози у крові хворих цукровим діабетом, та автоматично вивільнятимуть інсулін, коли в цьому буде потреба.
Очевидно, що в таких випадках від надійності системи залежить дуже багато: як результат лікування, так і життя пацієнта. Біологічні схеми повинні з достатньою долею ймовірності розрізняти заражені клітини та безпечні. Тому важливим є точно передбачати реакцію системи, аби не дозволити знищення безпечних клітин організму. До сьогодні забезпечити це було неможливо.
Зрозуміти чому складалась саме така ситуація і чому при тому, що результат роботи одного елемента є абсолютно передбачуваним, а схеми побудованої з них – ні, можна розглянувши відмінності між біологічними та електронними схемами.
Звичайна електронна схема складається з логічних елементів, які мають вхід (один чи декілька), вихід (один чи декілька) та множину станів в яких елемент знаходиться в той чи інший момент часу. Залежно від логічної побудови та стану в якому знаходиться елемент, подана на вхід інформація перетворюється ним у вихідну та подається на вихід, при цьому елемент може змінити свій стан. Між собою елементи електронної схеми з’єднані фізично – входи одних з виходами інших. Саме завдяки цьому, маючи вхідну інформацію, та знаючи стани у яких знаходяться всі елементи схеми, можна однозначно говорити про результат роботи такої системи.
Принцип побудови біологічних схем аналогічний до схем електронних, проте й є суттєва відмінність, саме яка й впливає на стійкість результатів всієї системи. Всі елементи біологічної схеми перебувають у постійній циркуляції в рідкому середовищі схеми. При цьому дуже важко визначити яким чином рухатимуться інформаційні потоки в схемі, адже вони регулюються на основі хімічних взаємодій окремих елементів, і, в ідеалі, повинні впливати лише на деякі інші елементи схеми. Досягти цього на практиці довгий час не вдавалось.
Дель Векіо та Вейсу вдалося створити так званий «драйвер навантаження» - певний регулюючий буфер між вхідним та вихідним сигналом. І хоча отримані дослідження ще потребуються подальшого опрацювання та вдосконалення, робота вже отримала позитивні відгуки відомих вчених в галузі біологічної інженерії, а додавання такого «драйверу навантаження» в біологічні схеми дозволить значно збільшити складність схем, забезпечивши при цьому високу надійність та передбачуваність результатів її роботи.
Стаття підготовлена командою проекту INFORUM.IN.UA за матеріалами Массачусетського технологічного інституту
