Wetenschappers hebben een biologische computer in een cel gebouwd

Ingenieurs bij MIT hebben biologische circuits ontwikkeld die inputdata kunnen opslaan en erop kunnen reageren – oftewel een biologische computer in een levende cel.

Het werk wordt omschreven in de nieuwste Science en toont een noodzakelijke stap in het integreren van synthetische biologie met DNA-gebaseerd geheugen. Met andere woorden: een grote stap richting het bouwen van computersystemen die opgebouwd zijn uit biologische componenten. Met nog andere woorden: computers die levende cellen zijn.

Het is Nathaniel Roquet en zijn collega's van de Synthetic Biology Group van MIT gelukt om een zogenaamde eindigetoestandsautomaat te bouwen in een cel. Een eindigetoestandsautomaat is een abstract rekenkundig model die berekeningen definieert als een lijst van verschillende interne staten, gekoppeld aan een lijst operaties die nodig zijn om van een toestand naar een andere toestand te gaan. Hierin is een nieuwe toestand altijd het resultaat van een oude toestand plus nieuwe input. Eindigetoestandsautomaten beschrijven een enorm aantal verschillende dingen, van algoritmes om taal te begrijpen tot neurologische systemen tot iets zo simpel als een sigarettenautomaat – statische toestand + agecoin + geld = lever sigaretten.

In een levende cel is DNA de ideale kandidaat om toestandsinformatie op te slaan. Dat is tenslotte wat DNA doet: informatie opslaan. Wat Roquet en zijn team gemaakt hebben is een framework voor de chemische manipulatie van DNA zodat de toestanden opgeslagen zijn in DNA-sequenties en daaruit afgelezen kunnen worden. De toestanden kunnen dan gelinkt worden aan cellulair gedrag.

In hun experimenten programmeerden Roquet en co. E. coli-bacteriën om te reageren op verschillende substanties die veel gebruikt worden in biologische experimenten. De cel werd bijvoorbeeld geprogrammeerd om bepaald gedrag te vertonen bij de aanwezigheid van arabinose, een soort suiker. Andere stoffen (inputs) zorgen weer voor ander gedrag van de cel.

Het gedrag wat door de wetenschappers geprogrammeerd werd was de expressie van genen die leiden tot de productie van verschillende fluorescerende eiwitten in verschillende kleuren. Met drie verschillende inputs konden ze de cel 16 verschillende combinaties van kleuren laten produceren.

"Synthetische eindigetoestandsautomaten die reageren op regulerende gebeurtenissen in een cel zouden revolutionair gereedschap kunnen zijn bij het bestuderen en aanpassen van complexe levende systemen," schrijft Roquet. Door een eindigetoestandsautomaat (in feite een computer) in een levende cel te implementeren, is het mogelijk om die computer te gebruiken om cellulair gedrag dat anders niet te zien is, toch te kunnen zien.

Hiermee zou bijvoorbeeld beter gekeken kunnen worden naar hoe voorlopercellen (een soort stamcellen) zich differentiëren tot verschillende soorten cellen – iets wat nu nog een groot mysterie is. Een ingebouwde 'computer' zou bepaalde processen in het DNA zichtbaar kunnen maken, waardoor we beter zouden begrijpen wat er gebeurt in het DNA en hoe we daarin zouden kunnen ingrijpen.

Er is geen gebrek aan potentiële toepassingen hiervan. Het voorbeeld dat Roquet geeft, is om biologische computers te integreren in tumormodellen. Hierdoor zouden we kunnen zien hoe de oncogenen (de genen die kanker veroorzaken) geactiveerd worden en hoe de ingebouwde tumorbescherming van een cel wordt onderdrukt.

"Nu we inzicht krijgen in de volgorde van biologische processen, opent dat een hoop potentiële toepassingen," schrijft Roquet. "Er is een hoop bekend over de factoren die de differentiatie van verschillende celtypes in gang zet, maar niet zoveel over de volgorde waarop die factoren invloed hebben. Dat is een van de gebieden waar wij met ons apparaat duidelijkheid over willen verschaffen."

Computers komen dus 'tot leven,' maar niet per se op de manier waarop we dat verwachtten. Een unicellulair organisme zelf zal nooit veel rekenkracht leveren, maar als bouwsteen is de potentie ervan best wel enorm.