Биоинженеры создали искусственную нейросеть на живых белках
Университет Сиху в Китае и Калифорнийский технологический институт разработали систему на основе белков, которая может обрабатывать множественные сигналы и принимать решения на их основе. Нейросеть внутри клеток млекопитающих описана в журнале Science.
Она получила название перцептеин, образованное от перцептрон — кибернетическая модель мозга, ставшая основой нейросетей, и протеин — белок.
Процессы, происходящие в живых клетках, напоминают работу нейросети. Они естественным образом обрабатывают множественные входные сигналы для запуска операций с различными результатами. Например, иммунные клетки реагируют на угрозы на основе сигналов, которые они обнаруживают. Белок p53 — «страж генома» — реагирует на повреждения ДНК, и запускает либо восстановительные механизмы, либо процесс самоуничтожения клетки для предотвращения рака.
Ученые давно стремятся создать искусственные системы, которые могли бы воспроизвести этот процесс принятия решений внутри клеток. Действие большинства из них основано на весьма медлительных для таких применений ДНК или РНК. Перцептеин работает на новых искусственно сконструированных белках и протеазах.
Ученые собрали шесть компонентов белка перцептеина и два входных белка, необходимых для полной схемы с двумя входами и двумя выходами. Протеазу составили из двух, позаимствованных у излюбленных в научном мире вирусов, поражающих табак.
Для проверки активации перцептеиновой цепи ее встроили в репортерные клетки эмбриональной почки человека, способные визуализировать происходящие в них процессы экспрессией того или иного флуоресцентных белка.
В экспериментах входные белки правильно восстановили свои целевые протеазы. Изменяя уровни компонентов перцептеина, ученые эффективно настраивали параметры решений с сохранением высокой производительности даже при изменении времени ввода или введении шума.
Практическую ценность разработки продемонстрировали, соединив выход перцептеиновой цепи с путем апоптоза каспазы-3 — ключевого элемента механизма самоуничтожения клетки. Решения о жизни или смерти для клеток дублировались флуоресценцией белков.
Результаты исследования перспективны вдвойне. Во-первых, они открывают дорогу к настраиваемой терапии болезней, плохо поддающихся излечению, путем введения в клетки синтетических белков, реагирующих на специфичные сигналы. Во-вторых, эксперименты показали возможность построения сложных вычислительных систем для биологического искусственного интеллекта.
