Vita ex machina № 7

Компьютерный вирус на ДНК, микромоторы на бактериях и другие новости бионики

Изображение: Khakimullin Aleksandr/ФОТОДОМ/Shutterstock
Изображение: Khakimullin Aleksandr/ФОТОДОМ/Shutterstock

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 это получается у них все лучше. «Чердак» отбирает самые интересные бионические новости, чтобы вы не потерялись в этом новом, странном мире.

Есть одна старая страшилка, в которой компьютерный вирус заражает живой организм и, например, стирает его воспоминания. Сложно представить, как это сделать, но вот принципиальную возможность в каком-то смысле обратной схемы совсем недавно показали американские ученые, которые превратили молекулы ДНК в прототип простейшего компьютерного вируса.

Для этого они взяли одну из популярных компьютерных программ с открытым кодом, используемую при секвенировании генома, и внесли в нее такие изменения, что она смогла производить переполнение буфера (то есть могла записывать данные за пределами выделенной для ее работы памяти, а значит, вносить туда какие-нибудь вредоносные инструкции — этот подход часто используют компьютерные вирусы). Дальше ученые спланировали, какие молекулы ДНК будут активировать эту ошибку, синтезировали их и попытались секвенировать: в 37% экспериментов это действительно вызвало переполнение буфера, то есть часть данных о последовательностях ДНК в зашифрованном виде было записано вне памяти специальной программы.

Конечно, у этой работы пока много оговорок. Во-первых, исследователи только показали теоретическую возможность создания подобного компьютерного вируса (можно придумать такую последовательность ДНК, что при секвенировании она заложит в память компьютера вирусные инструкции), но на практике его не сделали. Во-вторых, они внедрялись в компьютер через специально «ухудшенную» программу для секвенирования (но параллельно показали, что аналогичные возможности использовать эту уязвимость есть у трех других аналогичных программ). И в-третьих, их подход даже теоретически подходит только для очень специфических случаев: ДНК-последовательность, атакующая программу для секвенирования, должна быть достаточно короткой (для того чтобы ее не порезал на части секвенатор) и сбалансированной — соотношение аденин/тимин и гуанин/цитозин нуклеотидов в ней должно меняться в определенных узких пределах, иначе такая молекула ДНК свернется и не будет секвенирована.

Поэтому сами исследователи подчеркивают, что их работу стоит воспринимать скорей как предупреждение: если со временем техники секвенирования будут становиться все более мощными и общедоступными, то такая незакрытая уязвимость может выстрелить очень громко. С помощью компьютерных вирусов на ДНК можно будет красть разные данные из лабораторий, подделывать результаты генетических экспертиз или, например, незаметно портить ГМО-продукты. А если представить, что техника секвенирования станет доступна в домашних условиях, то фантазия разыгрывается даже еще больше: покупаешь в магазине какой-нибудь продукт и хочешь проверить его генетический состав, а вместо этого получаешь компьютерный вирус.

Мир бактерий живет в невероятных темпах. Возьмем каплю воды из лужи, посмотрим на нее под микроскопом и увидим тысячи микроорганизмов, которые постоянно перемещаются в абсолютно случайных направлениях. В каком-то смысле это живое топливо: если обуздать этот хаос и направить все бактерии в одну сторону, то энергии их движения хватит на многое. Похожую вещь в июле сделали итальянские ученые: они заставили кишечные палочки e. coli вращать лопасти миниатюрных моторов, как вода вращает жернова водяных мельниц.

Микромоторы были сделаны из пластика и выглядели следующим образом: в центре вертикальная ось, на которую насажен миниатюрный ротор диаметром в 7,6 микрон и толщиной в 3,7 микрон — полый диск, объем которого разделен перегородками на 15 маленьких камер, в каждую из которых помещается ровно по одной e. coli (при этом «тело» кишечной палочки находится полностью внутри камеры, а жгутик, вращение которого и обеспечивает движение кишечной палочки, — снаружи). Также вокруг ротора была сделана еще одна радиальная оболочка с насечками, направлявшими кишечные палочки так, чтобы они заходили внутрь своих камер головами вперед.

Внешний вид молекулярного мотора. А — вертикальная ось, B — вращающийся ротор, C — защитная радиальная оболочка. Изображение: Nature Communications.

Исследователи сделали несколько десятков таких моторов и добавили к ним «топливо» — суспензию кишечных палочек. Всего за две минуты бактерии заполнили около 90% камер и за счет хаотичных движений своих жгутиков начали вращать ротор так, что максимальная скорость вращения микромоторов достигала около 15 оборотов в минуту.

Так, конечно, не могло продолжаться вечно. Для вращения жгутиков, как и для работы любых других механизмов, тоже нужна энергия, которую бактерии получали за счет переноса протонов из внешней среды (грубо это можно сравнить с любым электрическим прибором, работающим за счет направленного переноса электронов, то есть электрического тока). Но здесь исследователи пошли на хитрость: они модифицировали гены e. coli таким образом, что бактерии стали производить фотоактивный белок протеородопсин, перекачивающий протоны из внешней среды за счет энергии солнечного излучения. Так ученые сильно расширили свои возможности: во-первых, они могли поддерживать работу микромоторов с помощью света, а во-вторых, меняя интенсивность излучения, научились регулировать и синхронизировать скорости их вращения.

Конечно, прямо сейчас применить такую систему где-нибудь на практике затруднительно, но в будущем все возможно. Сами авторы отмечают, что их микромоторы, вращаемыми «рабами"-бактериями, могут пригодиться для создания разных медицинских микроботов или систем адресной доставки лекарств.

Наши роботы уже неплохо ходят, ползают, плавают и даже бегают, но как-то совершенно не умеют расти, например, как лианы: мы просто не привыкли, что этот «растительный» способ передвижения тоже вполне подходит для перемещения в пространстве. Исправляют ситуацию американские ученые из Стэнфорда и Калифорнийского университета, которые создали мягкого робота, способного вырастать более чем в 250 раз и так пробираться сквозь самые труднодоступные места.

Выглядит новый робот как легкая мягкая трубка, которая разжимается под действием воздуха. Ее изначальная длина составляет 28 сантиметров, а максимальная — 72 метра. При этом направление роста робота можно менять, регулируя интенсивность подачи воздуха в полости с разных сторон трубки, а спереди робота установлена камера, по картинке которой можно направлять рост трубки.

Этот робот хорошо показал себя в испытаниях. Он сумел проползти по липкой бумаге, клею, отвесной ледяной стене и даже гвоздям (с постепенным раскрытием трубки перемещается только его передняя часть, а вся остальная конструкция остается на месте, поэтому, хотя тело робота и получало проколы, оно все равно не сдувалось, так как сами гвозди и закрывали эти отверстия). При этом в передней его части кроме камеры был установлен сенсор углекислого газа, который продолжал работать после всех перемещений. В других испытаниях робот подлез под дверью, поднялся, закрутился вертикально вверх спиралью на несколько метров и даже смог подползти под 100-килограммовый ящик, чтобы потом приподнять его.

Исследователи говорят, что их разработку можно использовать при различных чрезвычайных ситуациях, когда нужно быстро пробраться через завалы и найти выживших людей (в этом может как раз помочь датчик углекислого газа) и хотят развивать свою технику. Они планируют сделать аналогичного робота, накачиваемого не воздухом, а водой (снова для работы в завалах и, соответственно, доставки воды в труднодоступные места), и миниатюрного растущего робота длиной в два миллиметра для работы внутри человеческого организма.

Изображение: Marc Wathieu//Flickr

Было бы очень здорово сделать биокомпьютеры — миниатюрные системы на основе биомолекул или клеточных органелл, которые могут производить точно такие же вычисления, какие делает обычная электроника, и по их результатам регулировать работу живых организмов, внутри которых, собственно, помещены биокомпьютеры. Сейчас ученые предлагают разные компоненты, на основе которых можно было сделать подобную электронику. Например, в июле американские исследователи показали, что простейшие вычисления и логические операции можно делать с помощью молекул РНК.

Для этого исследователи использовали структуры, называемые рибопереключателями — это одноцепочечные молекулы РНК, которые могут находиться в двух состояниях. По умолчанию они «выключены» — свернуты в пространстве таким образом, что по ним невозможно синтезировать белок, но в присутствии некоторых веществ (например, коротких антисмысловых РНК или других биомолекул, образующих связи с изначальной цепочкой РНК) они разворачиваются и, соответственно, «включаются», то есть по ним снова можно синтезировать белок.

Такие рибопереключатели по умолчанию нужны кишечной палочке, чтобы регулировать работу некоторых генов. Однако для того, чтобы запустить на них биовычисления, ученые модифицировали e. coli таким образом, что по молекулам РНК синтезировались различные флуоресцентные белки.

Дальше они продемонстрировали, что прямо внутри бактерий можно проводить простейшие вычисления, в которых входными сигналами будут концентрации антисмысловых РНК, а выходными — интенсивность свечения флуоресцентного белка (в классических полупроводниковых схемах и входные и выходные сигналы — это электрические токи). К примеру, сделали кишечные палочки, которые выполняют логическую операцию ИЛИ: если к культуре e. coli добавляли определенные антисмысловые РНК A и B (как вместе, так и поодиночке), то активировалась выработка зеленого флуоресцентного белка, а если в среде отсутствовало и вещество A, и вещество B, то синтез белка не шел.

Таким же образом исследователи закодировали и некоторые другие логические операции, а также сделали алгоритм, работающий сразу с двенадцатью входными сигналами. Теперь авторы говорят, что подобные вычисляющие системы можно «имплантировать» и в другие живые бактерии, чтобы, например, контролируемо производить лекарства или топливо.

Кроме компьютерных вирусов на ДНК, бактериях, вращающих микромоторы, растущего мягкого робота для работы в завалах и РНК-вычислителях, работающих внутри кишечных палочек, в июле и августе было много и других интересных бионических новостей. В геном бактерий записали видео со скачущей лошадью, из гидрогелей сделали плотную как шелк искусственную паутину, слизевик Physarum Polycephalum сымитировал сеть древнеримских дорог, а роборыбы помогали изучать агрессию среди рыбок сиамских петушков. Впереди еще много всего интересного!

Михаил Петров
Теги:

Читать еще на Чердаке: