Η πρώτη γλώσσα προγραμματισμού για ζωντανά κύτταρα

Η πρώτη γλώσσα προγραμματισμού για ζωντανά κύτταρα
Μικρόβια προγραμματισμένα να παράγουν καύσιμα; Μικρόβια που κάνουν αριθμητικές πράξεις; Η προσθήκη νέων λειτουργιών σε βακτήρια μόλις έγινε πιο εύκολη χάρη σε μια γλώσσα προγραμματισμού για βιολογικά κυκλώματα.

Το νέο λογισμικό συνθετικής βιολογίας, με την ονομασία Cello, επιτρέπει στους χρήστες να επιλέγουν το είδος του βακτηρίου με το οποίο επιθυμούν να εργαστούν και να προσδιορίσουν τι θέλουν να κάνει το κύτταρο -για παράδειγμα, να παρακολουθεί τις χημικές συνθήκες του περιβάλλοντος και να αντιδρά παράγοντας συγκεκριμένες ουσίες.

Ο χρήστης εισάγει εντολές που περιγράφουν τη λογική σύνδεση ανάμεσα στα εξωτερικά ερεθίσματα και τις κυτταρικές αντιδράσεις, και το πρόγραμμα αναλαμβάνει στη συνέχεια να δώσει την αλληλουχία DNA που πρέπει να προστεθεί στο βακτήριο για να επιτρέψει αυτές τις λειτουργίες.

Το Cello, το οποίο αναπτύχθηκε από αμερικανική ομάδα με επικεφαλής τον Κρίστοφερ Βόιγκτ του MIT, είναι ουσιαστικά μια τροποποιημένη έκδοση του Verilog, το οποίο χρησιμοποιείται ευρέως στην ηλεκτρονική μηχανική για τον προγραμματισμό τσιπ.

Για να δημιουργήσουν μια βερσιόν του Verilog που λειτουργεί σε ζωντανά κύτταρα, μια προσπάθεια που ξεκίνησε πριν από δέκα χρόνια, οι ερευνητές σχεδίασαν υπολογιστικά στοιχεία, όπως λογικές πύλες και αισθητήρες, τα οποία μπορούν να κωδικοποιηθούν στο βακτηριακό DNA και να συνεργάζονται αξιόπιστα μεταξύ τους.

Η μεγάλη πρόκληση, λέει ο Βόιγκτ, ήταν ο σχεδιασμός των 14 λογικών πυλών που προσφέρει το Cello έτσι ώστε να μην παρεμβαίνουν η μία στην άλλη στο περίπλοκο περιβάλλον του ζωντανού κυττάρου.

Στο οπλοστάσιο της νέας γλώσσας προγραμματισμού περιλαμβάνεται ήδη μια ποικιλία αισθητήρων, οι οποίοι ανιχνεύουν συγκεκριμένες ουσίες όπως η γλυκόζη και το οξυγόνο ή μετρούν τα επίπεδα φωτισμού, τη θερμοκρασία, την οξύτητα και άλλες περιβαλλοντικές συνθήκες. Οι χρήστες, πάντως, μπορούν να εισάγουν τους δικούς τους αισθητήρες.

Χρησιμοποιώντας το Cello, η ερευνητική ομάδα δημιούργησε 60 διαφορετικά βιολογικά κυκλώματα με διάφορες λειτουργίες, από τα οποία τα 45 δούλεψαν με την πρώτη. Πολλά από τα κυκλώματα ήταν σχεδιασμένα να μετρούν μία ή περισσότερες περιβαλλοντικές παραμέτρους και να αντιδρούν ανάλογα. Ένα από τα κυκλώματα ήταν σχεδιασμένο να ιεραρχεί τρία διαφορετικά ερεθίσματα και να αποκρίνεται ανάλογα με την προτεραιότητα του καθενός.

Ένα άλλο κύκλωμα, το οποίο περιέχει επτά λογικές πύλες και 12.000 ζεύγη βάσεων DNA, είναι το μεγαλύτερο βιολογικό κύκλωμα που έχει δημιουργηθεί ποτέ.

«Μέχρι σήμερα, θα χρειαζόταν κανείς ολόκληρα χρόνια για να δημιουργήσει τέτοιου είδους κυκλώματα» λέει ο Βόιγκτ. «Τώρα απλά πατάς ένα κουμπί και παίρνεις αμέσως την αλληλουχία» επισημαίνει.

Η ερευνητική ομάδα σχεδιάζει τώρα να δοκιμάσει διάφορες δυνητικές εφαρμογές: βακτήρια που καταπίνονται και βοηθούν στην πέψη της λακτόζης· βακτήρια που παράγουν αντικαρκινικά φάρμακα όταν ανιχνεύσουν όγκους· και νέες ποικιλίες ζυμομύκητα που σταματούν μόνες τους τη ζύμωση αν ανιχνεύσουν υψηλά επίπεδα τοξικών παραπροϊόντων.

Η μελέτη δημοσιεύεται στο περιοδικό Science.

Βαγγέλης Πρατικάκης