Ученые научили бактерии запоминать и изменять информацию в ДНК
Ученые создали бактерии, которые могут сохранять информацию в собственной ДНК и изменять ее в процессе обучения. Для этого исследователи разработали особую генетическую память и проверили ее работу на примере игры в крестики-нолики. Эксперименты показали, что живые клетки способны выполнять отдельные операции, напоминающие обучение искусственных нейронных сетей.
МОСКВА, 19 октября /Новости науки/. Ученые создали генетически модифицированные бактерии, которые способны сохранять информацию и изменять ее в процессе обучения. Новый механизм проверили в том числе на примере игры в крестики-нолики. Об этом говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
Исследователи использовали бактерии кишечной палочки Escherichia coli, изменив их таким образом, чтобы клетки могли хранить информацию и обновлять ее под воздействием внешних сигналов. Разработанная система работает по принципу, напоминающему обучение искусственных нейронных сетей, в которых связи между отдельными элементами изменяются в зависимости от полученной информации. Однако в данном случае изменения происходят не в компьютерной программе, а непосредственно в живых клетках.
Для этого специалисты создали особые элементы биологической памяти, названные мемрегулонами. Они основаны на двух плазмидах — небольших молекулах ДНК, которые находятся внутри бактериальных клеток. Информация хранится в виде соотношения количества этих плазмид. Когда их пропорции изменяются, меняется и записанное значение. Таким образом, бактерии могут сохранять результаты предыдущих воздействий в собственной генетической системе.
Обновление памяти происходит под действием химических сигналов. При поступлении определенных веществ активируются участки генетической системы бактерий, после чего ученые воздействуют на них небольшой дозой антибиотика канамицина. Это приводит к различиям в скорости роста бактерий и изменению соотношения плазмид, в которых хранится информация. При этом сигнал обучения действует избирательно: изменения происходят в тех элементах памяти, которые были активированы.
Работу механизма исследователи проверили в экспериментах с отдельными бактериальными культурами и смешанными популяциями. Измерения показали, что изменения сохраненной информации зависят от активности генетических элементов и различий между клетками. При повторном воздействии сигналов обучения распределение записанных значений постепенно менялось, приближаясь к установленной нижней границе.
Для проверки новой технологии ученые использовали игру в крестики-нолики. Каждой из девяти клеток игрового поля соответствовали определенные бактерии, хранившие информацию о возможных ходах. Если выбранные ходы приводили к проигрышу, исследователи с помощью химических сигналов изменяли генетическую память соответствующих бактерий. После нескольких таких этапов обучения система стала чаще выбирать удачные ходы. При этом сами бактерии не играли в крестики-нолики: их задача заключалась в хранении и изменении информации, а игровые решения обрабатывались с помощью внешней системы.
Исследователи использовали бактерии кишечной палочки Escherichia coli, изменив их таким образом, чтобы клетки могли хранить информацию и обновлять ее под воздействием внешних сигналов. Разработанная система работает по принципу, напоминающему обучение искусственных нейронных сетей, в которых связи между отдельными элементами изменяются в зависимости от полученной информации. Однако в данном случае изменения происходят не в компьютерной программе, а непосредственно в живых клетках.
Для этого специалисты создали особые элементы биологической памяти, названные мемрегулонами. Они основаны на двух плазмидах — небольших молекулах ДНК, которые находятся внутри бактериальных клеток. Информация хранится в виде соотношения количества этих плазмид. Когда их пропорции изменяются, меняется и записанное значение. Таким образом, бактерии могут сохранять результаты предыдущих воздействий в собственной генетической системе.
Обновление памяти происходит под действием химических сигналов. При поступлении определенных веществ активируются участки генетической системы бактерий, после чего ученые воздействуют на них небольшой дозой антибиотика канамицина. Это приводит к различиям в скорости роста бактерий и изменению соотношения плазмид, в которых хранится информация. При этом сигнал обучения действует избирательно: изменения происходят в тех элементах памяти, которые были активированы.
Работу механизма исследователи проверили в экспериментах с отдельными бактериальными культурами и смешанными популяциями. Измерения показали, что изменения сохраненной информации зависят от активности генетических элементов и различий между клетками. При повторном воздействии сигналов обучения распределение записанных значений постепенно менялось, приближаясь к установленной нижней границе.
Для проверки новой технологии ученые использовали игру в крестики-нолики. Каждой из девяти клеток игрового поля соответствовали определенные бактерии, хранившие информацию о возможных ходах. Если выбранные ходы приводили к проигрышу, исследователи с помощью химических сигналов изменяли генетическую память соответствующих бактерий. После нескольких таких этапов обучения система стала чаще выбирать удачные ходы. При этом сами бактерии не играли в крестики-нолики: их задача заключалась в хранении и изменении информации, а игровые решения обрабатывались с помощью внешней системы.
