Vita ex machina № 2

Тест Тьюринга для искусственных клеток, компьютер, вычисляющий по запаху, и другие новости бионики

NIAID/Flickr
NIAID/Flickr

В лабораториях бьются искусственные сердца, молекулярные компьютеры играют в крестики-нолики, а крошечные медицинские роботы учатся взаимодействовать между собой внутри наших тел. Люди всегда мечтали подражать природе, и теперь, кажется, у нас это получается все лучше. «Чердак» отбирает самые интересные бионические новости, чтобы вы не потерялись в этом новом, странном мире.

Ученые уже создают искусственных бактерий и ищут минимальный геном, но до сих пор не могут договориться о строгом определении живого. Команде исследователей из Италии и США это показалось странным, и они предложили более-менее фиксированную процедуру для проверки «живости» живого — такой биомолекулярный аналог теста Тьюринга, в котором искусственные клетки пытаются обмануть живые микроорганизмы и вступить с ними в общение (точно так же компьютерные программы в оригинальном тесте Тьюринга стараются убедить экспертов, что они не бездушные чат-боты, а вполне интересные и, главное, живые собеседники).

Свою работу исследователи построили на чувстве кворума — способности некоторых бактерий договариваться о совместных действиях с помощью различных сигнальных молекул. Они создали несколько линий искусственных клеток с фосполипидными мембранами и начинкой из молекулярно-генетических конструктов, отвечающих за распознавание и синтез сигнальных молекул, а потом подсаживали своих франкенштейнов к живым бактериям.

В большой серии экспериментов ученые показали, что такие искусственные клетки могут и сами «слушать» бактерий (то есть реагировать на их сигнальные молекулы повышенной экспрессией люминесцентного белка), и «говорить» с ними (выделять сигнальные молекулы, вызывающие люминесценцию уже у бактерий) и даже, самое главное, делать оба этих действия более-менее одновременно (редкий и драгоценный дар для собеседников, да). Более того, искусственные клетки даже научились работать переводчиками — воспринимать сигналы одного вида (V. fisheri) и в ответ производить сигнальные молекулы, управляющие люминесценцией вида совершенно другого (кишечной палочки, E. Coli).

Численную же оценку жизнеподобности американцы завязали не на интенсивности люминесценции бактерий, а на данных их транскриптома: они смотрели, как сильно будет меняться экспрессия генов у живых бактерий в присутствии разных версий искусственных клеток. Лучшие образцы из статьи получили максимальную оценку в 39% (менялась транскрипция 107 генов) по шкале, где 0% соответствовали искусственные клетки, способные только слушать бактерий (в их присутствии менялась транскрипция 175 генов), а 100% — идеальные искусственные клетки, в присутствии которых транскриптом бактерий остается точно таким же, как в естественной среде.

Фото: Brandon Martin-Anderson / Flickr

Искусственная жизнь — это очень здорово, но есть и другие великие задачи, полегче (во всяком случае, на первый взгляд) и с более очевидной пользой — например, научить компьютеры работать так же быстро и эффективно, как делают это нервные системы внутри живых организмов. Многие ученые говорят, что в этом деле создания нейроморфных вычисляющих систем не обойтись без мемристоров (элементов в микроэлектронике, меняющих свою проводимость в зависимости от истории своей работы), и вот теперь (о, удача и совпадение) французские исследователи показали, что в некоторых мемристорах изначально заложены свойства, напоминающие синаптическую пластичность (нейроны умеют менять силы связей между собой в зависимости от проходящих сигналов — считается, что на этом завязана наша память и наша способность к обучению, и именно это называется синаптической пластичностью).

Для этого ученые сделали неорганические мемристоры на основе диэлектрика сульфида серебра Ag2S, в котором при подаче небольшого внешнего напряжения (порядка +0,3 В) появляются ионы серебра (они приходят из наложенной сверху на Ag2S серебряной пластинки), пробивающие в нем электропроводящие каналы. В результате у мемристора резко падает сопротивление, но при подаче обратного напряжения (-0,3 В) ионы Ag уходят обратно в серебряную пластинку, каналы постепенно закрываются и все возвращается на круги своя (поэтому эта система и называется мемристором — ее проводимость сильно зависит от истории, от того, какие напряжения были приложены к системе в прошлые моменты времени).

Дальше ученые показали, что скорость с которой мемристор будет забывать свои прошлые состояния, сильно зависит от продолжительности сигнала: если положительное напряжение на нем держали совсем недолго (скажем, миллисекунду), то после его переключения проводящие каналы в сульфиде серебра будут закрываться быстро (это аналог кратковременной синаптической пластичности), а если напряжение продержали более 2,5 миллисекунды, то каналы будут закрываться уже гораздо медленнее и даже после 100 секунд проводимость мемристора все равно останется большой (это аналог долговременной синаптической пластичности).

Фото: 8 chigonotsukikage / Flickr

Однако нервная система — это далеко не единственный вычисляющий агент внутри живых организмов. Миллионы клеток, молекул, бактерий, хитросплетения биохимических циклов и обратных связей. В каком-то смысле тела — это огромные серверы, каждую секунду вычисляющую нашу жизнь, и большинство этих вычислений идет уже совершенно по другим принципам, чем в наших предсказуемых компьютерах: если нейроны хотя бы формально работают в цифровом режиме (либо 0 — потенциал покоя, либо 1 — потенциал действия), то все молекулярные вычисления идут строго в аналоговой форме.

В последнее время ученые пробуют создавать искусственные системы для таких вычислений, и иногда у них это неплохо получается. Например, недавно швейцарские исследователи сделали биокомпьютер, способный обрабатывать входные аналоговые сигналы — концентрации двух летучих веществ триптофана и глюканоподобного пептида-1, производить с этой информацией простенькие логические вычисления и выдавать конечный сигнал в виде одного из желтых флуоресцентных белков.

Эта вычисляющая система состоит из трех подсистем, созданных методами синтетической биологии. В первой из них были собраны сигнальные клетки, отвечавшие за распознавание входных летучих молекул. Вторая подсистсема синтезировала различные жидкие вещества — переносчики информации между клетками, а третья подсистема, возбуждаемая этими сигнальными веществами, запускала генетические вычисления, заканчивавшиеся синтезом флуоресцентного белка. Так, ученые собрали три разных логических модуля для будущих биокомпьютеров — И, ИЛИ и исключающее ИЛИ, каждый из которых преобразует аналоговые сигналы запахов в цифровые сигналы флюоресцентного белка (1 — есть флуоресценция или 0 — нет флуоресценции). К примеру, система И синтезировала цитрин только в присутствии сразу обоих летучих веществ.

Подобные системы, по словам швейцарцев, с одной стороны, можно использовать для создания вычисляющих лекарств, определяющих дозировку по различным биологическим показателям, а с другой стороны, их исследование показывает возможность управления работой генов в клеточных культурах не только с помощью света (как в оптогенетике), но и с помощью запахов.

Фото: Jeff Amann / Flicrk

Наконец, итальянские ученые в свое работе обратились уже не к запахам, а к самой привычной модальности чувств — зрению: с помощью электропроводящих полимеров они попытались усилить чувствительность полипов Hydra vulgaris к видимому свету. И хоть сама гидра от природы лишена глаз за их скоромной функциональностью в глубоководной жизни, кое-что у ученых все-таки получилось.

В своих экспериментах они помещали гидр в водный раствор наночастиц проводящего полимера P3HT, которые достаточно быстро заходили внутрь полипов. Анализ показал, что такая модификация не вызвала никаких токсичных эффектов и никак не повлияла на размножение гидр, но зато она сильно повлияла на их светочувствительность. Во-первых, полипы, обработанные полимером, стали сжиматься на свету, в то время как обычные полипы на свету, наоборот, разжимаются. А во-вторых, яркий свет вызывал у модифицированных гидр аномальное усиление экспрессии генов, ответственных за синтез опсинов — светочувствительных белков, которые у человека, например, находятся в сетчатке глаза.

Точный механизм такого физиологического влияния наночастиц полимеров пока неизвестен (авторы связывают его с фотоактивностью P3HT, в котором под действием видимого света возбуждают электроны, способные повлиять на многие биохимические и генетические циклы в клетках полиров), но зато уже есть и другие, даже более смелые работы, в которых инъекции полимера улучшали чувствительность в сетчатке ослепших крыс.

Михаил Петров
Теги:

Читать еще на Чердаке: