Химики построили белковую вычислительную машину
Химический компьютер на основе сети ферментов способен выполнять различные задачи, такие как измерение температуры или идентификация веществ, без необходимости перестраивать систему каждый раз. Это делает его похожим больше на адаптивную биологическую систему, чем на цифровую схему, и открывает перспективы для объединения компьютеров с биологией.
Живые организмы содержат молекулярные сети, которые постоянно интегрируют химические и физические сигналы — например, когда клетки воспринимают рецепторами питательные вещества, гормоны или изменения температуры и адаптируются, чтобы выжить. Десятилетиями исследователи пытались воссоздать это разными способами, например, строя логические вентили из ДНК. Однако в большинстве своем такие искусственные системы оказывались слишком примитивными, недостаточно гибкими или слишком сложными для масштабирования.
Химики из Университета Радбода в голландском Неймегене пошли другим путем. Вместо того чтобы программировать каждую реакцию, они построили систему, в которой ферменты свободно взаимодействуют, порождая сложное поведение, способное научиться распознавать закономерности в химических входных данных.
Химический компьютер
Химический компьютер описан в журнале Nature Chemistry. Он использует семь различных типов ферментов, закрепленных на крошечных гидрогелевых шариках, помещенных в небольшую трубку. Через эту трубку протекает жидкость, в которую можно вводить короткие цепочки аминокислот, пептиды, служащие «входными данными» для вычислений. Когда пептиды проходят мимо ферментов, каждый фермент естественным образом пытается разрезать их в определенных участках пептидной цепи. После того, как один фермент делает разрез, форма пептида и доступные для разреза участки изменяются, что может либо открыть, либо заблокировать возможности для других ферментов.
Поскольку одна реакция может переходить в другую, ферменты создают постоянно изменяющуюся химическую сеть, продуцирующую характерные паттерны, которые экспериментаторы интерпретируют с помощью масс-спектрометра высокого разрешения.
«Можно представить ферменты в виде... аппаратного обеспечения, а пептиды — в виде программного, которое решает новые задачи в зависимости от входных данных», — объясняет биоинженер Ли Дуньян из Калифорнийского технологического института.
Например, на скорость работы каждого фермента влияет нагрев: при более высоких температурах некоторые ферменты ускоряются сильнее других, изменяя смесь пептидных фрагментов на выходе системы. Анализируя эти фрагменты с помощью алгоритма машинного обучения, исследователи смогли связать результирующий состав с конкретными температурами.
Поскольку различные химические реакции протекают с разной скоростью, система естественным образом сохраняет своего рода «память» о предыдущих сигналах, благодаря чему способна распознавать паттерны, разворачивающиеся во времени. Например, машина смогла отличать быстрые световые импульсы от медленных, что означает, что она не просто реагирует на входные данные, но и отслеживает их изменения.
В результате получается не статичная химическая схема, а динамичный, многозадачный химический компьютер, который обрабатывает сигналы подобно живой системе.
«Одна и та же сеть справилась с множеством задач — химической классификацией, измерением температуры со средней ошибкой ~1,3 °C в диапазоне от 25 до 55 °C, классификацией по pH и даже реакцией на периодичность световых импульсов — без перепроектирования химической составляющей», — говорит Ли.
Что дальше
Исследователи были удивлены тем, насколько хорошо компьютер справлялся с задачами, учитывая его небольшой размер. Более продвинутая система в будущем сможет напрямую преобразовывать оптические или электрические сигналы в химические, став, по сути, искусственной живой клеткой, надеется профессор Вильгельм Хук, руководивший исследованием.
«Мы использовали всего шесть или семь ферментов и шесть пептидов. Представьте, что можно сделать с сотней ферментов», — добавил он.
