De interdisciplinaire nexus van biologie en techniek, bekend als synthetische biologie, groeit in hoog tempo, het openen van nieuwe vergezichten die een korte tijd geleden nauwelijks konden worden voorgesteld.

Bij nieuw onderzoek Alex Groen, een professor aan het Biodesign Institute van ASU, laat zien hoe levende cellen kunnen worden aangezet om berekeningen uit te voeren op de manier van kleine robots of computers.

De resultaten van de nieuwe studie hebben belangrijke implicaties voor intelligent medicijnontwerp en slimme medicijnafgifte, productie van groene energie, goedkope diagnostische technologieën en zelfs de ontwikkeling van futuristische nanomachines die kankercellen kunnen opsporen of afwijkende genen kunnen uitschakelen.

"We gebruiken zeer voorspelbare en programmeerbare RNA-RNA-interacties om te definiëren wat deze circuits kunnen doen, " zegt Green. "Dat betekent dat we computersoftware kunnen gebruiken om RNA-sequenties te ontwerpen die zich in een cel gedragen zoals we willen. Het maakt het ontwerpproces een stuk sneller."

De studie verschijnt in de geavanceerde online-editie van het tijdschrift Natuur .

Ontwerper RNA

De beschreven benadering maakt gebruik van circuits die zijn samengesteld uit ribonucleïnezuur of RNA. Deze circuitontwerpen, die lijken op conventionele elektronische schakelingen, zelf-assembleren in bacteriële cellen, waardoor ze inkomende berichten kunnen detecteren en erop reageren door een bepaalde computationele output te produceren, (in dit geval, een eiwit).

In de nieuwe studie gespecialiseerde circuits bekend als logische poorten werden ontworpen in het laboratorium, vervolgens opgenomen in levende cellen. De kleine circuitschakelaars worden geactiveerd wanneer berichten (in de vorm van RNA-fragmenten) zich hechten aan hun complementaire RNA-sequenties in het cellulaire circuit, het activeren van de logische poort en het produceren van een gewenste uitvoer.

De RNA-schakelaars kunnen op verschillende manieren worden gecombineerd om complexere logische poorten te produceren die in staat zijn om meerdere ingangen te evalueren en erop te reageren, net zoals een eenvoudige computer verschillende variabelen kan nemen en opeenvolgende bewerkingen zoals optellen en aftrekken kan uitvoeren om tot een eindresultaat te komen.

De nieuwe studie verbetert het gemak waarmee mobiel computergebruik kan worden uitgevoerd aanzienlijk. De RNA-benadering voor het produceren van cellulaire nanodevices is een belangrijke vooruitgang, aangezien eerdere inspanningen het gebruik van complexe tussenpersonen vereisten, zoals eiwitten. Nutsvoorzieningen, de benodigde ribocomputing-onderdelen kunnen eenvoudig op de computer worden ontworpen. De eenvoudige eigenschappen van basenparen van de vier nucleotideletters van RNA (A, C, G en U) zorgen voor de voorspelbare zelfassemblage en werking van deze onderdelen binnen een levende cel.

Greens werk op dit gebied begon bij het Wyss Institute in Harvard, waar hij hielp bij het ontwikkelen van de centrale component die wordt gebruikt in de cellulaire circuits, bekend als een RNA-toehold-schakelaar. Het werk werd uitgevoerd terwijl Green een postdoc was die samenwerkte met nanotechnologie-expert Peng Yin, samen met de synthetische biologen James Collins en Pamela Silver, die allemaal co-auteurs zijn van het nieuwe artikel. "De eerste experimenten waren in 2012, " zegt Green. "Kortom, de voetschakelaars presteerden zo goed dat we een manier wilden vinden om ze het beste te benutten voor mobiele toepassingen."

Na aankomst bij ASU, Green's eerstejaarsstudent Duo Ma werkte aan experimenten bij het Biodesign Institute, terwijl een andere postdoc, Jongmin Kim zette soortgelijk werk voort aan het Wyss Institute. Beiden zijn ook co-auteurs van de nieuwe studie.

Pentium-chip van de natuur

De mogelijkheid om DNA en RNA te gebruiken, de moleculen van het leven, om computerachtige berekeningen uit te voeren werd voor het eerst gedemonstreerd in 1994 door Leonard Adleman van de University of Southern California. Vanaf dat moment, snelle vooruitgang heeft het veld aanzienlijk gevorderd, en onlangs, dergelijk moleculair computergebruik is tot stand gebracht in levende cellen. (Bacteriële cellen worden meestal voor dit doel gebruikt omdat ze eenvoudiger en gemakkelijker te manipuleren zijn.)

De techniek die in het nieuwe artikel wordt beschreven, maakt gebruik van het feit dat RNA, in tegenstelling tot DNA, is enkelstrengs wanneer het in cellen wordt geproduceerd. Hierdoor kunnen onderzoekers RNA-circuits ontwerpen die kunnen worden geactiveerd wanneer een complementaire RNA-streng bindt met een blootgestelde RNA-sequentie in het ontworpen circuit. Deze binding van complementaire strengen is regelmatig en voorspelbaar, waarbij A-nucleotiden altijd paren met U en C altijd paren met G.

Met alle verwerkingselementen van het circuit gemaakt met behulp van RNA, die een astronomisch aantal potentiële reeksen kan aannemen, de echte kracht van de nieuw beschreven methode ligt in het vermogen om veel bewerkingen tegelijkertijd uit te voeren. Deze capaciteit voor parallelle verwerking maakt een snellere en meer verfijnde berekening mogelijk terwijl efficiënt gebruik wordt gemaakt van de beperkte bronnen van de cel.

Logische resultaten

In de nieuwe studie logische poorten bekend als AND, OR en NOT zijn ontworpen. Een EN-poort produceert alleen een uitvoer in de cel als er twee RNA-berichten A EN B aanwezig zijn. Een OF-poort reageert op A OF B, terwijl een NOT-poort de uitvoer blokkeert als een bepaalde RNA-invoer aanwezig is. Door deze poorten te combineren, kan complexe logica worden geproduceerd die op meerdere ingangen kan reageren.

Met behulp van RNA-toehold-schakelaars, de onderzoekers produceerden de eerste ribocomputing-apparaten die in staat zijn tot EN met vier ingangen, OR met zes ingangen en een apparaat met 12 ingangen dat een complexe combinatie van EN kan uitvoeren, OR en NOT logica bekend als disjunctieve normaalvormexpressie. Wanneer de logische poort de juiste RNA-bindingssequenties tegenkomt die tot activering leiden, een voetschakelaar gaat open en het proces van translatie naar eiwit vindt plaats. Al deze circuitdetectie- en uitvoerfuncties kunnen in hetzelfde molecuul worden geïntegreerd, waardoor de systemen compact en eenvoudiger in een cel te implementeren zijn.

Het onderzoek vertegenwoordigt de volgende fase van het lopende werk met behulp van de zeer veelzijdige RNA-toehold-schakelaars. In eerder werk, Green en zijn collega's toonden aan dat een goedkope, op papier gebaseerde reeks RNA-toehold-schakelaars zou kunnen fungeren als een zeer nauwkeurig platform voor het diagnosticeren van het Zika-virus. Detectie van viraal RNA door de array activeerde de voetschakelaars, aanzetten tot de productie van een eiwit, die geregistreerd als een kleurverandering op de array.

Het basisprincipe van het gebruik van op RNA gebaseerde apparaten om de eiwitproductie te reguleren, kan worden toegepast op vrijwel elke RNA-invoer, een nieuwe generatie nauwkeurige, goedkope diagnostiek voor een breed scala aan ziekten. De celvrije benadering is bijzonder geschikt voor opkomende bedreigingen en tijdens uitbraken van ziekten in ontwikkelingslanden, waar medische middelen en personeel beperkt kunnen zijn.

De computer binnen

Volgens Groen, de volgende fase van het onderzoek zal zich richten op het gebruik van de RNA-toehold-technologie om zogenaamde neurale netwerken in levende cellen te produceren - circuits die in staat zijn om een ​​reeks prikkelende en remmende inputs te analyseren, ze te middelen en een output te produceren zodra een bepaalde activiteitsdrempel is bereikt, ongeveer zoals een neuron binnenkomende signalen van andere neuronen gemiddeld. uiteindelijk, onderzoekers hopen cellen met elkaar te laten communiceren via programmeerbare moleculaire signalen, een echt interactief, hersenachtig netwerk.

"Omdat we RNA gebruiken, een universeel molecuul van leven, we weten dat deze interacties ook in andere cellen kunnen werken, dus onze methode biedt een algemene strategie die kan worden overgedragen naar andere organismen, "Groen zegt zinspelend op een toekomst waarin menselijke cellen volledig programmeerbare entiteiten worden met uitgebreide biologische mogelijkheden.