Forskere demonstrerer grundlæggende principper for nukleinsyreberegning inde i celler

Ved hjælp af tråde af nukleinsyre, forskere har demonstreret grundlæggende databehandlinger inde i en levende pattedyrscelle. Forskningen kan føre til et kunstigt registreringssystem, der kan kontrollere en celles adfærd som reaktion på sådanne stimuli som tilstedeværelse af toksiner eller udvikling af kræft.

Forskningen anvender forskydning af DNA -streng, en teknologi, der er blevet udbredt uden for celler til design af molekylære kredsløb, motorer og sensorer. Forskere ændrede processen for at give både "OG" og "ELLER" logiske porte i stand til at fungere inde i de levende celler og interagere med native messenger RNA (mRNA).

De værktøjer, de udviklede, kunne danne grundlag for biocomputere, der kunne fornemme, analysere og modulere molekylær information på celleniveau. Understøttet af Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) og National Science Foundation (NSF), forskningen blev rapporteret 21. december i tidsskriftet Naturnanoteknologi .

"Hele ideen er at være i stand til at tage logikken, der bruges i computere, og port den logik ind i cellerne selv, "sagde Philip Santangelo, en lektor i Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering ved Georgia Tech og Emory University. "Disse enheder kunne fornemme et afvigende RNA, for eksempel, og derefter lukke cellulær oversættelse eller fremkalde celledød. "

Strandforskydningsreaktioner er den biologiske ækvivalent af de kontakter eller porte, der danner grundlaget for siliciumbaseret computing. De kan programmeres til at tænde eller slukke som reaktion på en ekstern stimuli såsom et molekyle. En "OG" port, for eksempel, ville skifte, når begge betingelser var opfyldt, mens en "ELLER" port ville skifte, når begge betingelser var opfyldt.

I de kontakter, forskerne brugte, et fluorofor-reportermolekyle og dets komplementære bratkølende molekyle blev anbragt side om side for at skabe en "slukket" tilstand. Binding af RNA i en af ​​strengene fortrængte derefter en del nukleinsyre, adskiller molekylerne og tillader generering af et signal, der skabte en "tændt" -tilstand. To "on" -tilstande på tilstødende nukleinsyrestrenge skabte en "AND" -port.

"Demonstration af individuelle logiske porte er kun et første skridt, "sagde Georg Seelig, adjunkt i datalogi og teknik og elektroteknik ved University of Washington. "På længere sigt, vi ønsker at udvide denne teknologi til at skabe kredsløb med mange input, som dem, vi har konstrueret i cellefrie indstillinger. "

Forskerne brugte ligander designet til at binde til bestemte dele af nukleinsyrestrengene, som kan skabes efter ønske og produceres af kommercielle leverandører.

"Vi fornemmede molekyler og viste, at vi kunne reagere på dem, "sagde Santangelo." Vi viste, at vi kunne bruge native molekyler i cellen som en del af kredsløbet, selvom vi ikke har været i stand til at kontrollere en celle endnu. "

Det var ikke let at få grundlæggende databehandlinger til at fungere inde i celler, og forskningen krævede et antal år at gennemføre. Blandt udfordringerne var at få enhederne ind i cellerne uden at udløse kontakterne, giver drift hurtig nok til at være nyttig, og ikke dræbe de menneskelige cellelinjer, som forskere brugte i laboratoriet.

"Vi var nødt til kemisk at ændre sonderne for at få dem til at fungere inde i cellen og for at gøre dem stabile nok inde i cellerne, "sagde Santangelo." Vi fandt ud af, at disse strengforskydningsreaktioner kan være langsomme i cytosolen, så for at få dem til at arbejde hurtigere, vi byggede stilladser på messenger -RNA'et, der tillod os at forstærke effekterne. "

Nukleinsyre -computerne fungerede i sidste ende som ønsket, og det næste trin er at bruge deres skift til at udløse produktionen af ​​signalkemikalier, der ville tilskynde den ønskede reaktion fra cellerne. Cellulær aktivitet styres normalt af produktionen af ​​proteiner, så nukleinsyrekontakterne skal have evnen til at producere nok signalmolekyler til at fremkalde en ændring.

"Vi skal generere nok af det endelige signal, der er nødvendigt for at få cellen til at reagere, "Forklarer Santangelo." Der er amplifikationsmetoder, der bruges i strengforskydningsteknologi, men ingen af ​​dem er hidtil blevet brugt i levende celler. "

Selv uden det sidste trin, forskerne føler, at de har bygget et fundament, der kan bruges til at nå målet.

"Vi var i stand til at designe nogle af de grundlæggende logiske konstruktioner, der kunne bruges som byggesten til fremtidigt arbejde, "Santangelo sagde." Vi kender koncentrationerne af kemikalier og designkravene til individuelle komponenter, så vi kan nu begynde at sammensætte et mere kompliceret sæt kredsløb og komponenter. "

Celler, selvfølgelig, ved allerede, hvordan man fornemmer giftige molekyler og udviklingen maligne tendenser, og derefter handle. Men disse sikkerhedsforanstaltninger kan slås fra af vira eller kræftceller, der ved, hvordan man omgår naturlige cellulære processer.

"Vores mekanisme ville bare give celler en hånd til at gøre dette, "Santangelo sagde." Ideen er at tilføje til det eksisterende maskineri for at give cellerne forbedrede muligheder. "

Anvendelse af en teknisk tilgang til den biologiske verden adskiller dette eksempel fra andre bestræbelser på at kontrollere cellulære maskiner.

"Det, der gør DNA -strengens forskydningskredsløb unikke, er, at alle komponenter er fuldt rationelt designet på niveau med DNA -sekvensen, "sagde Seelig." Dette gør virkelig denne teknologi ideel til en teknisk tilgang. I modsætning, mange andre tilgange til styring af cellemaskineriet er afhængige af komponenter, der er lånt fra biologi og ikke er fuldt ud forstået. "