Met behulp van strengen van nucleïnezuur, wetenschappers hebben elementaire computerbewerkingen gedemonstreerd in een levende zoogdiercel. Het onderzoek zou kunnen leiden tot een kunstmatig detectiesysteem dat het gedrag van een cel zou kunnen controleren als reactie op stimuli als de aanwezigheid van toxines of de ontwikkeling van kanker.

Het onderzoek maakt gebruik van DNA-strengverplaatsing, een technologie die op grote schaal buiten cellen is gebruikt voor het ontwerpen van moleculaire circuits, motoren en sensoren. Onderzoekers hebben het proces aangepast om zowel "EN" als "OF" logische poorten te bieden die in staat zijn om in de levende cellen te werken en te interageren met natief boodschapper-RNA (mRNA).

De tools die ze ontwikkelden, zouden een basis kunnen vormen voor biocomputers die in staat zijn om te voelen, analyseren en moduleren van moleculaire informatie op cellulair niveau. Ondersteund door het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) en de National Science Foundation (NSF), het onderzoek werd op 21 december gerapporteerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

"Het hele idee is om de logica die in computers wordt gebruikt en die logica in cellen zelf te kunnen overbrengen, zei Philip Santangelo, een universitair hoofddocent bij de Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering aan Georgia Tech en Emory University. "Deze apparaten kunnen een afwijkend RNA detecteren, bijvoorbeeld, en sluit vervolgens de cellulaire translatie af of induceert celdood."

Strandverplaatsingsreacties zijn het biologische equivalent van de schakelaars of poorten die de basis vormen voor op silicium gebaseerd computergebruik. Ze kunnen worden geprogrammeerd om in of uit te schakelen als reactie op externe stimuli zoals een molecuul. Een "EN"-poort, bijvoorbeeld, zou overstappen als aan beide voorwaarden was voldaan, terwijl een "OF"-poort zou schakelen wanneer aan een van beide voorwaarden was voldaan.

In de schakelaars die de onderzoekers gebruikten, een fluorofoorreportermolecuul en zijn complementaire uitdovingsmolecuul werden naast elkaar geplaatst om een ​​"uit" -modus te creëren. Binding van RNA in een van de strengen verdrong toen een deel van het nucleïnezuur, het scheiden van de moleculen en het genereren van een signaal dat een "aan"-modus creëerde. Twee "aan"-modi op aangrenzende nucleïnezuurstrengen creëerden een "EN"-poort.

"Het demonstreren van individuele logische poorten is slechts een eerste stap, " zei Georg Seelig, assistent-professor informatica en engineering en elektrotechniek aan de Universiteit van Washington. "Op langere termijn we willen deze technologie uitbreiden om circuits met veel ingangen te creëren, zoals die we hebben gebouwd in celvrije instellingen."

De onderzoekers gebruikten liganden die zijn ontworpen om te binden aan specifieke delen van de nucleïnezuurstrengen, die naar wens kunnen worden gemaakt en geproduceerd door commerciële leveranciers.

"We voelden moleculen en lieten zien dat we erop konden reageren, " zei Santangelo. "We hebben laten zien dat we natuurlijke moleculen in de cel kunnen gebruiken als onderdeel van het circuit, hoewel we nog geen cel hebben kunnen besturen."

Het was geen gemakkelijke taak om elementaire computerbewerkingen in cellen te laten functioneren, en het onderzoek vergde een aantal jaren om te volbrengen. Een van de uitdagingen was om de apparaten in de cellen te krijgen zonder de schakelaars te activeren, het verstrekken van verrichting snel genoeg om nuttig te zijn, en niet de menselijke cellijnen doden die onderzoekers in het laboratorium gebruikten.

"We moesten de sondes chemisch veranderen om ze in de cel te laten werken en om ze stabiel genoeg te maken in de cellen, " zei Santangelo. "We ontdekten dat deze reacties van strengverplaatsing in het cytosol traag kunnen zijn, om ze sneller aan het werk te krijgen, we bouwden steigers op het boodschapper-RNA waarmee we de effecten konden versterken."

De nucleïnezuurcomputers werkten uiteindelijk naar wens, en de volgende stap is om hun omschakeling te gebruiken om de productie van signaalchemicaliën te activeren die de gewenste reactie van de cellen zouden veroorzaken. Cellulaire activiteit wordt normaal gesproken gecontroleerd door de productie van eiwitten, dus de nucleïnezuurschakelaars zullen het vermogen moeten krijgen om voldoende signaalmoleculen te produceren om een ​​verandering teweeg te brengen.

"We moeten genoeg van het laatste signaal genereren dat nodig is om de cel te laten reageren, " legde Santangelo uit. "Er zijn amplificatiemethoden die worden gebruikt in strengverplaatsingstechnologie, maar geen van hen is tot nu toe in levende cellen gebruikt."

Zelfs zonder die laatste stap, de onderzoekers vinden dat ze een fundament hebben gelegd dat kan worden gebruikt om het doel te bereiken.

"We waren in staat om enkele van de logische basisconstructies te ontwerpen die kunnen worden gebruikt als bouwstenen voor toekomstig werk, " zei Santangelo. "We kennen de concentraties van chemicaliën en de ontwerpvereisten voor individuele componenten, dus we kunnen nu beginnen met het samenstellen van een meer gecompliceerde set circuits en componenten."

Cellen, natuurlijk, weet al hoe toxische moleculen en de ontwikkeling van kwaadaardige neigingen te voelen, en om vervolgens actie te ondernemen. Maar die beveiligingen kunnen worden uitgeschakeld door virussen of kankercellen die natuurlijke cellulaire processen weten te omzeilen.

"Ons mechanisme zou cellen hierbij helpen, "Zei Santangelo. "Het idee is om aan de bestaande machines toe te voegen om de cellen verbeterde mogelijkheden te geven."

Het toepassen van een technische benadering op de biologische wereld onderscheidt dit voorbeeld van andere pogingen om cellulaire machines te beheersen.

"Wat DNA-strengverplaatsingscircuits uniek maakt, is dat alle componenten volledig rationeel zijn ontworpen op het niveau van de DNA-sequentie, ", aldus Seelig. "Dit maakt deze technologie echt ideaal voor een technische benadering. In tegenstelling tot, veel andere benaderingen om de cellulaire machinerie te beheersen, zijn gebaseerd op componenten die zijn geleend van de biologie en die niet volledig worden begrepen."