Объединив информатику и молекулярную биологию, исследователи смогли работать над программируемым биологическим компьютером , который в будущем сможет перемещаться внутри человеческого тела, диагностировать болезни и назначать лечение. Это то, что профессор Эхуд Шапиро из Института Вейцмана назвал « врачом в камере ».
В 1998 году Шапиро представил концептуальный проект автономной программируемой молекулярной машины Тьюринга , реализованной в то время как механическое устройство, и видение того, как такие машины могут совершить революцию в медицине. [1]
Концепция, получившая название «Доктор в клетке», предполагала, что умные лекарства, сделанные из автономных молекулярных вычислительных устройств, запрограммированных с использованием медицинских знаний, могут вытеснить современные лекарства, анализируя молекулярное состояние их окружения (ввод) на основе запрограммированных медицинских знаний (программа). ), и, если это будет сочтено необходимым, выпустить молекулу лекарства в ответ (выход). [2]
Чтобы реализовать это видение, Шапиро устроил в Вейцмане мокрую лабораторию. В течение нескольких лет лаборатория сделала новаторские шаги к реализации этого видения: (1) Молекулярная реализация программируемого автономного автомата , в котором вход был закодирован как молекула ДНК , « программное обеспечение » (правила перехода автомата) было закодировано короткой ДНК . молекулы, а « железо » было сделано из ферментов, обрабатывающих ДНК . [3] (2) Упрощенная реализация автомата, в котором входная молекула ДНК используется в качестве топлива [4] (3) Стохастический молекулярный автомат , в котором вероятности переходаможно запрограммировать, изменяя концентрацию «программных» молекул, в частности, относительную концентрацию молекул, кодирующих конкурирующие правила перехода. [5] И (4) Расширение стохастического автомата механизмами ввода и вывода, что позволяет ему взаимодействовать с окружающей средой заранее запрограммированным образом и высвобождать молекулу конкретного лекарства от рака при обнаружении уровней экспрессии мРНК , характерных для конкретного рака. . [6] Эти биомолекулярные компьютеры были продемонстрированы в пробирке, в которой несколько маркеров рака были предварительно смешаны для имитации различных комбинаций маркеров. Биомолекулярные компьютеры определили наличие онкомаркеров (Одновременно и независимо определяямаркеры мелкоклеточного рака легкого и маркеры рака предстательной железы ). Компьютер, оснащенный медицинскими знаниями, проанализировал ситуацию, диагностировал тип рака и затем выдал соответствующее лекарство.
В 2009 году Шапиро и аспирант Том Ран представили прототип автономной программируемой молекулярной системы, основанной на манипулировании цепями ДНК , которая способна выполнять простые логические выводы . [7] Этот прототип является первым простым языком программирования .реализуется на молекулярном уровне. Введенная в организм, эта система обладает огромным потенциалом для точного нацеливания на определенные типы клеток и проведения соответствующего лечения, поскольку она может выполнять миллионы вычислений одновременно и «мыслить» логически. Команда профессора Шапиро стремится заставить эти компьютеры выполнять очень сложные действия и отвечать на сложные вопросы, следуя логической модели, впервые предложенной Аристотелем более 2000 лет назад. Биомолекулярные компьютеры чрезвычайно малы: три триллиона компьютеров могут поместиться в одной капле воды. Если бы компьютерам было дано правило «Все люди смертны» и факт «Сократ — человек», они бы ответили: «Сократ смертен». Команда проверила несколько правил и фактов, и биомолекулярные компьютеры каждый раз правильно на них отвечали.