Készül a Bi-Fi, a biológiai „internet”

Létezik egy vírus, az M13, ami ahelyett, hogy támadna, inkább csak beköltözik, mint egyfajta vendég a testbe, csipegetve a bevitt tápanyagokból és válogatás nélkül üzengetve a sejteknek. Nem rég a Stanford Egyetem biomérnökei egy kicsit átalakították az M13-t.

Monica Ortiz és Drew Endy még több parazita tulajdonsággal ruházták fel a parazitát, kiaknázva az M13 kulcsfontosságú tulajdonságát, miszerint nem ártalmas és képes tetszőleges DNS szálak becsomagolására és közvetítésére, megalkotva egy biológiai internetet, vagy ahogy ők nevezik, „Bi-Fit”.

A vírus felhasználásával Ortiz és Endy egy biológiai mechanizmust alkotott a genetikai üzenetek sejtek közötti eljuttatására. A rendszer nagyban növeli a sejtek által lekommunikálható adatok összetettségét és mennyiségét, ami magasabb fokú biológiai funkciókhoz vezethet a sejt közösségeken belül. A fejlődés jó szolgálatot tehet a biomérnököknek, akik komplex, többsejtű közösségek létrehozásán fáradoznak, melyek összhangja fontos biológiai funkciók teljesítését eredményezné.

Az M13 a genetikai üzenetek egy csomagolója, hordozójában szaporodik, DNS szálakat ragad meg, egyenként becsomagolja azokat, és az általa előállított proteinekbe bezárva kiküldi, melyek eljuthatnak más sejtekbe. Amint a „csomag” bejut az új gazdába, a DNS üzenet kiszabadul a fehérjéből. A leírásból kitűnik, hogy egy M13 alapú rendszer gyakorlatilag egy kommunikációs csatorna, a mérnökök pedig képesek kontrollálni a becsomagolandó DNS szálakat.

Ezek fényében a rendszer úgy működhetne, mint egy vezeték nélküli internetkapcsolat, ami lehetővé teszi a sejteknek az üzenetek küldését és fogadását, ugyanakkor nem törődik azzal, hogy milyen titkokat rejthetnek az átvitt üzenetek. „Valójában elválasztottuk az üzenetet a csatornától. Most már tetszés szerinti DNS üzenetet küldhetünk meghatározott sejtekhez egy komplex mikroba-közösségen belül” - nyilatkozott Ortiz.

Jól ismert, hogy a sejtek természetükből adódóan különböző, köztük kémiai mechanizmusokat is alkalmazhatnak a kommunikációra, az ilyen üzenetátadás azonban rendkívül korlátozott lehet, mind komplexitását, mind a sávszélességet tekintve. Az egyszerű kémiai jelek általában egyszerre töltik be az üzenet és az üzenetvivő szerepét, ez a két funkció pedig esetükben szétválaszthatatlan. „Ha egy hálózati kapcsolat a cukron alapul, akkor az üzenetek lekorlátozódnak 'több cukorra', 'kevesebb cukorra', vagy 'nincs cukorra'” - magyarázta Endy.

Az M13-mal megkonstruált sejtek sokkal összetettebb, hatékonyabb kommunikációra programozhatók, mint amire eddig bármely más módszerrel képesek lettek volna. Az egyetlen korlátot a DNS-be kódolható tartalom jelentheti, márpedig elég sok genetikai utasítást adhatnánk velük, például: kezdj el növekedni, fejezd be a növekedést, gyere közelebb, ússz távolabb, termelj inzulint és így tovább.

A módszerrel nem csak az üzenetek komplexitása nőne, de az átvihető adatmennyiség is. Digitális szemszögből nézve ez a bitráta emelkedését jelenti. Az M13 által eddig ismert legnagyobb becsomagolt DNS szál több, mint 40.000 bázispárt foglalt magába. A bázispárok, akárcsak a digitális kódolás nullái és egyesei a genetikai adat alapvető építőelemei. A biomérnökök genetikai üzeneteinek többsége néhány száz és több ezer bázispár között mozognak, vagyis az M13 ideálisnak tűnik a feladatra. Ortiznak még úgy is sikerült eljuttatni genetikai üzeneteit a fenti módszerrel, hogy a sejteket egy több mint 7 centiméteres zselés közeg választotta el egymástól. „Ez egy rendkívül nagy hatótávolságú kommunikáció, ha sejtekben gondolkozunk” - mondta.

A biológiai internet bioszintetikus gyárakat eredményezhetne, melyekben hatalmas mikroba tömegek dolgoznak közösen gyógyszerek és egyéb hasznos vegyületek előállításán. Némi fejlesztéssel a sejtek közötti kommunikációs platform egy napon lehetővé teheti a sejtrendszerek összetettebb háromdimenziós programozását, köztük a szövetek vagy szervek regenerálódását. „A képesség, hogy 'tetszőleges' üzeneteket kommunikáljunk egy sarkalatos lépés a jel-és-válasz kapcsolattól egy valós nyelv irányába” - mondta Radhika Nagpal, a Harvard Egyetem Wyss Biológia Inspirálta Mérnöki Tudományok Intézetének számítógép tudósa, aki nem vett részt a kutatásban. „A sejtek együttműködésre bírásával mesterséges szövetek, vagy akár szervek létrehozása csupán egy, a lehetőségek közül. Ezzel megnyithatnánk az utat új biológiai rendszerek előtt, olyan problémákat oldva meg, melyeknek nincs közvetlen megfelelőjük a természetben”

„A biológiai internet még a legkezdetibb stádiumában van. Amikor az információs Internetet először bemutatták az 1970-es években, nem tudták elképzelni azt a számtalan alkalmazást, amit ma lehetővé tesz, így mi sem tudjuk most megjósolni, hová vezethet a munkánk” - tette hozzá Ortiz.