В исследовании используется смещение нити ДНК – технология, которая широко использовалась за пределами клеток для создания молекулярных цепей, двигателей и датчиков. Исследователи изменили процесс, чтобы обеспечить логические элементы «И» и «ИЛИ», способные работать внутри живых клеток и взаимодействовать с нативной информационной РНК (мРНК).
Разработанные ими инструменты могут стать основой для биокомпьютеров, способных воспринимать, анализировать и модулировать молекулярную информацию на клеточном уровне. Об исследовании, проведенном при поддержке Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) и Национального научного фонда (NSF), 21 декабря было опубликовано сообщение в журнале Nature Nanotechnology.
«Вся идея состоит в том, чтобы иметь возможность взять логику, которая используется в компьютерах, и перенести эту логику в сами клетки», – сказал Филип Сантанджело, доцент Wallace H. Колтер, факультет биомедицинской инженерии Технологического института Джорджии и Университета Эмори. «Эти устройства могут, например, обнаруживать аберрантную РНК, а затем останавливать трансляцию клеток или вызывать гибель клеток."
Реакции смещения цепей являются биологическим эквивалентом переключателей или вентилей, которые составляют основу вычислений на основе кремния.
Их можно запрограммировать на включение или выключение в ответ на внешние стимулы, такие как молекулы. Например, вентиль «И» будет переключаться, когда будут выполнены оба условия, а вентиль «ИЛИ» переключится, когда будет выполнено любое из условий.
В переключателях, которые использовали исследователи, репортерная молекула флуорофора и ее комплементарная молекула гашения были размещены рядом, чтобы создать режим «выключения». Связывание РНК в одной из цепей затем вытесняет часть нуклеиновой кислоты, разделяя молекулы и позволяя генерировать сигнал, который создает режим «включения». Два режима "включения" на соседних цепях нуклеиновых кислот создают логический элемент "И".
«Демонстрация отдельных логических вентилей – это только первый шаг», – сказал Георг Силиг, доцент кафедры информатики, инженерии и электротехники Вашингтонского университета. «В более долгосрочной перспективе мы хотим расширить эту технологию, чтобы создать схемы с множеством входов, такие как те, которые мы построили в условиях отсутствия ячеек."
Исследователи использовали лиганды, предназначенные для связывания с определенными частями цепей нуклеиновых кислот, которые могут быть созданы по желанию и произведены коммерческими поставщиками.
«Мы почувствовали молекулы и показали, что можем на них реагировать», – сказал Сантанджело. «Мы показали, что можем использовать нативные молекулы в клетке как часть цепи, хотя мы еще не смогли контролировать клетку."
Заставить базовые вычислительные операции функционировать внутри ячеек было непростой задачей, и на исследование потребовалось несколько лет. Среди проблем были внедрение устройств в клетки без срабатывания переключателей, обеспечение достаточно быстрой работы, чтобы быть полезными, и не уничтожение линий клеток человека, которые исследователи использовали в лаборатории.
«Нам пришлось химически изменить зонды, чтобы заставить их работать внутри клетки и сделать их достаточно стабильными внутри клеток», – сказал Сантанджело. «Мы обнаружили, что эти реакции смещения цепи могут быть медленными в цитозоле, поэтому, чтобы заставить их работать быстрее, мы построили каркас на матричной РНК, что позволило нам усилить эффекты."
Компьютеры нуклеиновых кислот в конечном итоге работали так, как нужно, и следующим шагом будет использование их переключения для запуска производства сигнальных химических веществ, которые будут вызывать желаемую реакцию со стороны клеток. Клеточная активность обычно контролируется производством белков, поэтому переключателям нуклеиновой кислоты необходимо дать возможность производить достаточное количество сигнальных молекул, чтобы вызвать изменение.
«Нам нужно сгенерировать достаточное количество финального сигнала, необходимого для реакции клетки», – пояснил Сантанджело. "В технологии замещения цепи используются методы амплификации, но ни один из них до сих пор не применялся в живых клетках."
Даже без этого последнего шага исследователи считают, что заложили фундамент, который можно использовать для достижения цели.
«Мы смогли разработать некоторые базовые логические конструкции, которые можно было бы использовать в качестве строительных блоков для будущей работы», – сказал Сантанджело. «Нам известны концентрации химикатов и требования к конструкции для отдельных компонентов, поэтому теперь мы можем приступить к созданию более сложного набора схем и компонентов."
Клетки, конечно же, уже умеют распознавать токсичные молекулы и тенденции развития злокачественных новообразований, а затем принимать меры. Но эти меры безопасности могут быть отключены вирусами или раковыми клетками, которые знают, как обойти естественные клеточные процессы.
«Наш механизм просто поможет клеткам в этом», – сказал Сантанджело. "Идея состоит в том, чтобы добавить к существующему оборудованию, чтобы расширить возможности ячеек."
Применение инженерного подхода к биологическому миру отличает этот пример от других попыток управления клеточными механизмами.
«Что делает схемы смещения цепи ДНК уникальными, так это то, что все компоненты полностью рационально спроектированы на уровне последовательности ДНК», – сказал Силиг. "Это действительно делает эту технологию идеальной для инженерного подхода. Напротив, многие другие подходы к управлению клеточными механизмами основаны на компонентах, заимствованных из биологии и не полностью изученных."
Помимо уже упомянутых, в исследовательскую группу вошли Бенджамин Гроувс, Юань-Цзюэ Чен и Сергей Почекаилов из Вашингтонского университета, а также Кьяра Зурла и Джонатан Киршман из Технологического института Джорджии и Университета Эмори.
Этот материал основан на работе, поддержанной Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов (DARPA) по контракту W911NF-11-2-0068 и наградой Национального научного фонда CAREER 1253691.
Авторы полностью несут ответственность за содержание и не обязательно отражают официальную точку зрения DARPA или NSF.