Nowe zadanie faga M13 wykorzystuje jego główne cechy: wywoływanie łagodnej infekcji i zdolność do przenoszenia sporych fragmentów DNA. Przy użyciu tego wirusa doktorantka Monica Ortiz i dr Drew Endy stworzyli biologiczny mechanizm umożliwiający przesyłanie informacji z komórki do komórki. System znacząco zwiększa złożoność i ilość danych, które mogą być przekazywane między komórkami, a tym samym także możliwość ich funkcjonalnej kontroli.

Fag ma spełniać rolę nośnika informacji. Wirus namnaża się wewnątrz komórek, pakując przygotowane przez bioinżynierów DNA w swoje białka i wysyłając je na zewnątrz komórki tak, by inne zostały zainfekowane. Informacja zapisana w DNA jest uwalniana w środku zainfekowanych komórek. Ten system działa jak bezprzewodowe łącze Internetowe,  umożliwiające komórkom wysyłanie i odbieranie wiadomości, bez względu na zawartą w nich treść.

Skutecznie oddzieliliśmy wiadomość od  jej nośnika. Możemy teraz przesyłać jakąkolwiek wiadomość DNA do konkretnych komórek w złożonej populacji mikroorganizmów  – komentuje Ortiz. Powszechnie wiadomo, że komórki naturalnie używają licznych mechanizmów komunikacji, w tym sygnałów chemicznych, ale taki sposób porozumiewania się ma wiele ograniczeń. Pojedynczy związek chemiczny jest często jednocześnie informacją i nośnikiem. Nie sposób tych dwu funkcji oddzielić. Co to dokładnie oznacza wyjaśnia dr Endy:  Jeśli sieć jest oparta na cząsteczce cukru, to wiadomości przesyłane w jej obrębie ograniczają się do możliwości „więcej cukru”, „mniej cukru” lub „brak cukru”. Opracowany przez badaczy sposób komunikacji za pomocą faga umożliwia przekazywanie wiadomości o bardziej złożonym charakterze. Jedynym ograniczeniem jest jedynie fakt, iż musi to być rodzaj genetycznej instrukcji: rozpocząć wzrost, zatrzymać wzrost, podpłynąć bliżej, oddalić się, produkować insulinę itp. Wykorzystanie DNA jako wiadomości zwiększa także ilość danych, które mogą być transmitowane. Innymi słowy, zwiększyła pojemność pamięci. Największa ilość DNA, jaką udało się wprowadzić do faga to 40 tys. par zasad. Tymczasem większość genetycznych instrukcji, znajdujących się w kręgu zainteresowania bioinżynierii ma wielkość od kilku do setek tysięcy par zasad.

Monica Ortiz, fot. N. von der Groeber

W trakcie przeprowadzonych eksperymentów główna autorka pracy Monica Ortiz była w stanie zaobserwować przekaz informacji między komórkami w stałym podłożu wzrostowym na odległość większą niż 7 cm! To bardzo długi dystans komunikacyjny  – dodaje.

W przyszłości biologiczny Internet może okazać się bardzo przydatnym narzędziem w przemyśle, gdzie ogromne masy bakterii współpracują przy produkcji paliw, farmaceutyków i innych potrzebnych związków. Naukowcy mają nadzieję, ze dalsze modyfikacje i ulepszenia pozwolą na bardziej złożone programowanie systemów komórkowych, a analogiczne systemy znajdą zastosowanie w medycynie regeneracyjnej i inżynierii tkankowej

Zdolność do nadawania „arbitralnych” wiadomości jest fundamentalnym postępem – jak od prostych symboli do autentycznej interakcji językowej – komentuje Radhika Nagpal, profesor informatyki z Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering na Harvardzie.  Skoordynowanie pracy komórek przy tworzeniu sztucznej tkanki lub nawet całego organizmu jest jedną z możliwości wykorzystania takich systemów. To otwiera drzwi nowym technologiom i rozwiązuje problemy, które nie mają analogicznych  rozwiązań w naturze.

Ortiz dodaje: Nasz system jest dziś jeszcze na przednówku. Ale kiedy wprowadzano Internet po raz pierwszy w latach ‘70, trudno było sobie wyobrazić miriady zastosowań, jakie ma dziś, więc prawdopodobnie większość z możliwych zastosowań biologicznego Internetu obecnie pozostaje poza sferą najskrytszych marzeń.

Oprac. Martyna Franczuk

Literatura:

Monica E Ortiz, Drew Endy. Engineered cell-cell communication via DNA messaging. Journal of Biological Engineering, 2012; 6 (1): 16 DOI: 10.1186/1754-1611-6-16

http://med.stanford.edu/ism/2012/september/bifi.html

http://engineering.stanford.edu/news/stanford-bioengineers-introduce-biological-internet