Vedci vytvorili v ľudských bunkách malé biologické „počítače“. Raz by mohli samy rozpoznať rakovinu
Vedci ukázali, ako možno ľudské bunky naprogramovať tak, aby samy vyhodnocovali signály v tele. V budúcnosti by to mohlo pomôcť pri presnejšej liečbe rakoviny.
Bunky v ľudskom tele neustále čítajú svoje okolie. Zachytávajú chemické signály, reagujú na stres, poškodenie aj zmeny v tkanivách. Vedci ich však zatiaľ nedokázali spoľahlivo prinútiť, aby podľa zložitého návodu vyhodnotili viacero signálov naraz a až potom spustili presnú odpoveď. Výskumníci z Hebrejskej univerzity teraz ukázali, že takáto predstava už nepatrí len do sci-fi. Do buniek vložili genetické obvody, ktoré dokážu spracúvať informácie podobne ako základná logika v počítačových čipoch.
Štúdia vyšla v časopise Nature Communications. Doktorandka Keren Roas a výskumník Lior Nissim v nej opisujú systém, ktorý umožňuje cicavčím bunkám, vrátane ľudských bunkových modelov, vykonávať zložitejšie genetické programy. Bunka sa tým nemení na počítač v bežnom zmysle slova. Nemá procesor ani pamäť ako notebook. Dostane však biologický návod, podľa ktorého vie vyhodnotiť vstupy a zapnúť konkrétny gén.
Prečo sa bunky programujú tak ťažko
Programovanie buniek patrí medzi veľké ciele syntetickej biológie. Základná myšlienka je, že bunka rozpozná určitý signál a podľa neho vykoná úlohu. Môže spustiť výrobu proteínu, potlačiť inú reakciu alebo označiť nebezpečný stav.
Problém nastáva vo chvíli, keď od nej vedci chcú zložitejšie rozhodovanie. Každá ďalšia podmienka pridáva novú vrstvu genetických výpočtov, viac vloženého materiálu a vyššiu záťaž pre samotnú bunku. Tá musí umelé inštrukcie nielen niesť, ale aj prevádzkovať. Spotrebúva na to energiu, enzýmy a ďalšie vnútorné zdroje.
Pri starších návrhoch preto vedci narážali na strop. Čím zložitejší program vložili do bunky, tým ťažšie bolo udržať ho funkčný a predvídateľný. Nová štúdia sa nesnaží tento problém riešiť ďalším pridávaním genetických súčiastok. Robí opačný krok. Zložité rozhodovanie skracuje.
Neprehliadni
Trik je v tom, že bunka nemusí prejsť cez toľko krokov
Základom nového prístupu je proces nazývaný RNA trans-splicing. Pri ňom sa časti genetických správ môžu vo vnútri bunky spojiť do novej funkčnej správy. Výskumníci tento mechanizmus využili na vytvorenie takzvaných AND brán. Tie sa aktivujú až vtedy, keď bunka zachytí správnu kombináciu signálov.
K tomu pridali hybridné promótory a syntetické microRNA. Promótor funguje ako regulačný vypínač, ktorý určuje silu génovej odpovede. MicroRNA zas pôsobia ako brzda. Dokážu potlačiť výstup, ktorý sa pri danej kombinácii signálov zapnúť nemá.
„Náš nový prístup umožňuje bunkám vykonávať zložité programy s oveľa menším počtom výpočtov a genetických stavebných blokov. Vďaka tomu je možné budovať oveľa pokročilejšie biologické programy bez straty funkčnosti,“ uviedol Nissim.
Praktický význam je, že ak má bunka spracovať viacero vstupov, nemusí prechádzať cez dlhý reťazec na seba naukladaných reakcií. Časť logiky sa odohrá v menšom počte vrstiev. Práve to môže rozhodnúť o tom, či sa podobné genetické obvody budú dať raz použiť aj pri náročnejších biologických úlohách.
Vedci v bunkách poskladali obvody, ktoré napodobňujú časti procesora
Autori štúdie neostali pri jednoduchom prepínaní génov. V bunkách vytvorili viacero obvodov, ktoré pripomínajú základné prvky digitálnej logiky. Patrila medzi ne trojvstupová kombinačná brána, teda systém, ktorý vyhodnocuje tri signály naraz.
Vznikla aj biologická verzia polovičnej a plnej sčítačky, známej ako half adder a full adder. V elektronike ide o jednoduché jednotky pracujúce s binárnymi vstupmi. V procesoroch sa podobný princíp používa vo veľkom rozsahu pri aritmetických operáciách. V bunke nejde o výpočtový výkon v zmysle klasického počítača, ale o dôkaz, že genetický systém dokáže niesť pravidlá podobné digitálnej logike.
Ďalším príkladom bol dynamický multiplexer. V elektronike vyberá jeden vstup z viacerých možností a pošle ho ďalej. V biologickom svete to znamená, že bunka môže dostať viacero signálov, no reaguje len na ten, ktorý jej genetický program v danej situácii určí ako správny. Výskumníci sledovali aktiváciu výstupov pomocou fluorescenčných proteínov, ktoré v bunkách svietili rôznymi farbami.
Bunka dostala vlastnú kontrolku, ktorá sa rozsvieti pri zlom nastavení
Najpraktickejší detail výskumu sa ukrýva v bezpečnostnej poistke. Pri multiplexeri výskumníci vytvorili samostatný výstup s názvom Selector Overload Status. Aktivoval sa iba vtedy, keď boli zapnuté oba riadiace vstupy naraz. Bunka tak dokázala zachytiť konfiguráciu, ktorá by v správne nastavenom programe nemala nastať.
Pre medicínu to nie je žiadne nepodstatný detail. Je to zásadný posun. Ak by sa podobný princíp podarilo zapracovať do budúcich bunkových terapií, výskumníci by získali spôsob, ako rizikový stav nielen vyvolať, ale aj rozpoznať. Terapeutická bunka by tak nemusela byť iba nástrojom na spustenie liečby. Mohla by niesť aj vlastnú kontrolku chyby.
Zatiaľ ide o laboratórnu demonštráciu, nie o hotovú poistku pre pacientov. Smer je však zaujímavý. Pri živých liekoch nebude stačiť, aby bunka vedela zasiahnuť. Rovnako dôležité bude naučiť ju mlčať vtedy, keď zásah nie je bezpečný.
Bunky, ktoré čakajú na správnu kombináciu
Najväčší potenciál má technológia pri chorobách, kde nestačí sledovať jeden marker. Typickým cieľom pre takúto logiku je onkológia. Nádorové tkanivo sa od zdravého často nelíši jedným jasným signálom, ale kombináciou viacerých znakov. Liečba, ktorá reaguje na jediný podnet, preto môže zasiahnuť aj tam, kde nemá.
Nové genetické obvody by raz mohli umožniť bunkám vyhodnocovať viacero markerov súčasne. Reakcia by sa spustila až vtedy, keď by sedela celá kombinácia. Práve takýto prístup by mohol pomôcť lepšie odlíšiť choré tkanivo od zdravého a znížiť riziko vedľajších účinkov.
Výskumníci tento princíp ukázali na produkcii Interleukínu-15, známeho aj ako IL-15. Ide o proteín imunitného systému, ktorý môže podporovať aktivitu buniek bojujúcich proti rakovine. V experimente ho bunky neprodukovali náhodne ani nepretržite, ale podľa nastavenej genetickej logiky.
Liek budúcnosti nemusí byť tabletka, ale bunka čakajúca na správny signál
Ak sa podobné systémy podarí dostať z laboratória do bezpečnej terapie, medicína získa nový typ nástroja. Nie liek, ktorý len koluje telom a pôsobí všade, kam sa dostane. Skôr bunku vybavenú pravidlami, ktoré určujú, kedy má zostať nečinná a kedy zasiahnuť.
Klinické využitie je však stále vzdialené. Takéto genetické obvody bude potrebné preveriť v zložitejších modeloch, v živom organizme a napokon aj z hľadiska bezpečnosti. Bunka je živý systém, nie čip na doske. Môže reagovať na prostredie, meniť svoje správanie a vstupovať do procesov, ktoré sa v laboratórnej miske nedajú úplne napodobniť.
Izraelská štúdia napriek tomu ukazuje, že zložité biologické programy sa dajú do buniek vložiť úspornejšie, než umožňovali staršie návrhy. Ak sa tento koncept potvrdí aj v praxi, klasické chemické lieky môže doplniť nová generácia inteligentnej medicíny. Nie tabletka, ktorá účinkuje všade naraz, ale živý systém čakajúci na presnú kombináciu signálov priamo v tele pacienta.
