Maleńkie komputery biologiczne zbudowane z DNA mogą zrewolucjonizować sposób diagnozowania i leczenia wielu chorób, gdy technologia zostanie w pełni dopracowana. Jednak główną przeszkodą dla tych urządzeń opartych na DNA, które mogą działać zarówno w komórkach, jak i płynnych roztworach, jest ich krótki czas życia. Wystarczy jedno użycie, a komputery są zużyte.
Teraz naukowcy z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) mogli opracować długowieczne komputery biologiczne, które potencjalnie mogą pozostawać w komórkach. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Science Advances autorzy rezygnują z tradycyjnego podejścia opartego na DNA, decydując się zamiast tego na użycie kwasu nukleinowego RNA do budowy komputerów. Wyniki pokazują, że obwody RNA są tak samo niezawodne i wszechstronne, jak ich odpowiedniki oparte na DNA. Co więcej, żywe komórki mogą być w stanie tworzyć te obwody RNA w sposób ciągły, co nie jest łatwo możliwe w obwodach DNA, co dodatkowo pozycjonuje RNA jako obiecującego kandydata na potężne, długotrwałe komputery biologiczne.
Podobnie jak komputer lub inteligentne urządzenie, na którym prawdopodobnie to czytasz, komputery biologiczne można zaprogramować do wykonywania różnego rodzaju zadań.
„Różnica polega na tym, że zamiast kodować jedynkami i zerami, piszesz ciągi A, T, C i G, które są czterema zasadami chemicznymi tworzącymi DNA” – powiedział Samuel Schaffter, badacz z tytułem doktora NIST i główny autor badania. .
Poprzez złożenie określonej sekwencji zasad w nić kwasu nukleinowego naukowcy mogą dyktować, z czym się ona wiąże. Można zaprojektować nić tak, aby przyłączyła się do określonych fragmentów DNA, RNA lub niektórych białek związanych z chorobą, a następnie wywołać reakcje chemiczne z innymi nićmi w tym samym obwodzie, aby przetworzyć informacje chemiczne i ostatecznie wytworzyć użyteczne dane wyjściowe.
To wyjście może być wykrywalnym sygnałem, który może wspomóc diagnostykę medyczną lub może być lekiem terapeutycznym do leczenia choroby.
Jednak DNA nie jest najtrwalszym materiałem i w pewnych warunkach może szybko się rozpaść. Komórki mogą być wrogim środowiskiem, ponieważ często zawierają białka, które rozdrabniają kwasy nukleinowe. I nawet jeśli sekwencje DNA utrzymują się wystarczająco długo, aby wykryć swój cel, wiązania chemiczne, które tworzą, czynią je później bezużytecznymi.
„Nie mogą robić takich rzeczy, jak ciągłe monitorowanie wzorców ekspresji genów. Są jednym z zastosowań, co oznacza, że dają tylko migawkę” – powiedział Schaffter.
Będąc również kwasem nukleinowym, RNA ma wiele zmartwień DNA, jeśli chodzi o bycie biologicznym elementem budulcowym komputera. Jest podatny na szybką degradację, a po tym, jak nić zwiąże się chemicznie z docelową cząsteczką, ta nić jest gotowa. Ale w przeciwieństwie do DNA, RNA może być odnawialnym zasobem w odpowiednich warunkach. Aby wykorzystać tę przewagę, Schaffter i jego koledzy musieli najpierw wykazać, że obwody RNA, które komórki teoretycznie byłyby w stanie wytworzyć, mogą funkcjonować tak samo dobrze jak układy oparte na DNA.
Przewaga RNA nad DNA wynika z naturalnego procesu komórkowego zwanego transkrypcją, w którym białka wytwarzają RNA w sposób ciągły, wykorzystując DNA komórki jako matrycę. Gdyby DNA w genomie komórki zakodowało komponenty obwodów w komputerze biologicznym, to komórka wytwarzałaby komponenty komputerowe w sposób ciągły.
W procesie obliczeń biologicznych pojedyncze nitki kwasów nukleinowych w obwodzie mogą łatwo zostać powiązane z innymi nićmi w tym samym obwodzie, co jest niepożądanym efektem, który zapobiega wiązaniu się elementów obwodu z zamierzonymi celami. Konstrukcja tych obwodów często oznacza, że różne komponenty będą do siebie naturalnie pasować.
Aby zapobiec niepożądanemu wiązaniu, sekwencje DNA, które są częścią komputerów znanych jako obwody przemieszczenia nici, są zwykle syntetyzowane (w maszynach, a nie w komórkach) oddzielnie iw postaci dwuniciowej. Ponieważ każda zasada chemiczna na każdej nici jest związana z zasadą na drugiej, ta podwójna nić działa jak zablokowana bramka, która otwierałaby się tylko wtedy, gdyby pojawiła się sekwencja docelowa i zajęła miejsce jednej z nici.
Schaffter i Elizabeth Strychalski, lider Grupy Inżynierii Komórkowej NIST i współautor badania, starali się naśladować tę funkcję „zamkniętej bramki” w swoim obwodzie RNA, pamiętając, że ostatecznie komórki musiałyby same wyprodukować te zamknięte bramki. Aby zapewnić komórkom sukces, naukowcy napisali sekwencje tak, aby jedna połowa nici mogła wiązać się równo z drugą połową. Wiążąc się w ten sposób, sekwencje RNA zwijają się na sobie jak bułka z hot dogami, zapewniając, że są w stanie zablokowanym.
Ale aby działać prawidłowo, bramki musiałyby być dwoma chemicznie związanymi, ale odrębnymi pasmami, bardziej jak bułka do hamburgera lub kanapka niż bułka do hot-doga. Zespół uzyskał dwuniciowy projekt w swoich bramkach, kodując odcinek RNA zwany rybozymem w pobliżu punktu składania bramek. Ten konkretny rybozym – pobrany z genomu wirusa zapalenia wątroby – odciąłby się po złożeniu nici RNA, w którą został osadzony, tworząc dwie oddzielne nici.
Autorzy przetestowali, czy ich obwody mogą wykonywać podstawowe operacje logiczne, takie jak odblokowywanie bramek tylko w określonych scenariuszach, na przykład w przypadku obecności jednej z dwóch określonych sekwencji RNA lub tylko w przypadku, gdy obie były w tym samym czasie. Zbudowali również i zbadali obwody złożone z kilku bramek, które wykonywały szeregowo różne operacje logiczne. Dopiero gdy te obwody napotkają odpowiednią kombinację sekwencji, ich bramy otwierają się jedna po drugiej jak kostki domina.
Eksperymenty obejmowały wystawianie różnych obwodów na kawałki RNA – z których niektóre obwody zostały zaprojektowane do przyłączania się – i mierzenie mocy wyjściowej obwodów. W tym przypadku wyjściem na końcu każdego obwodu była fluorescencyjna cząsteczka reporterowa, która zapalała się po odblokowaniu ostatniej bramki.
Badacze śledzili również szybkość, z jaką bramy odblokowywały się w miarę przetwarzania danych wejściowych przez obwody i porównywali ich pomiary z przewidywaniami modeli komputerowych.
„Dla mnie musiały one działać w probówce tak predykcyjnie, jak obliczenia DNA. Fajną rzeczą w obwodach DNA jest to, że przez większość czasu możesz po prostu napisać sekwencję na kartce papieru i zadziała tak, jak chcesz”, powiedział Schaffter. „Kluczową rzeczą jest to, że odkryliśmy, że obwody RNA są bardzo przewidywalne i programowalne, o wiele bardziej niż myślałem, że będą”.
Podobieństwa w działaniu między obwodami DNA i RNA mogą wskazywać, że korzystne może być przejście na to drugie, ponieważ RNA może być transkrybowane w celu uzupełnienia składników obwodu. Wiele istniejących obwodów DNA, które naukowcy już opracowali do wykonywania różnych zadań, można by teoretycznie zamienić na wersje RNA i zachowywać w ten sam sposób. Dla pewności jednak autorzy badania muszą dalej rozwijać tę technologię.
W tym badaniu autorzy wykazali, że obwody podlegające transkrypcji działają, ale nie wyprodukowali ich jeszcze przy użyciu prawdziwej komórkowej maszynerii transkrypcji. Zamiast tego maszyny zsyntetyzowały kwasy nukleinowe w procesie podobnym do tego, który jest używany do produkcji DNA do badań. Podjęcie kolejnego kroku wymagałoby wprowadzenia DNA do genomu organizmu, gdzie służyłoby jako plan dla komponentów obwodu RNA.
„Jesteśmy zainteresowani umieszczeniem ich następnie w bakteriach. Chcemy wiedzieć: czy możemy umieścić projekty obwodów w materiale genetycznym przy użyciu naszej strategii? Czy możemy uzyskać ten sam rodzaj wydajności i zachowania, gdy obwody znajdują się wewnątrz komórek?” powiedział Schaffter. “Mamy potencjał.”