Novelne RNA nanodevizije u živim stanicama mogu osjetiti i analizirati višestruke kompleksne signale

Anne-Sophie Novel - Ne sommes-nous pas ancrés dans une culture du court-termisme mortifère ? (Lipanj 2019).

Anonim

Interdisciplinarnim vezama biologije i inženjerstva, poznatog kao sintetička biologija, raste brzo, otvarajući nove vidike koje se tek nedavno moglo zamisliti.

U novim istraživanjima, Alex Green, profesor u ASU-ovom Biodesign institutu, pokazuje kako žive stanice mogu biti inducirane za obavljanje računanja na način sitnih robota ili računala.

Rezultati nove studije imaju značajne implikacije za inteligentno oblikovanje droga i pametnu dostavu lijekova, proizvodnju zelene energije, niske troškove dijagnostičke tehnologije, pa čak i razvoj futurističkih nanostroja sposobnih za lov na stanice raka ili isključivanje abnormalnih gena.

"Upotrebljavamo vrlo predvidljive i programirane RNA-RNA interakcije kako bismo definirali što ti krugovi mogu učiniti", kaže Green. "To znači da možemo koristiti računalni softver za dizajniranje RNA sekvenci koje se ponašaju na način na koji ih želimo u ćeliji, što čini proces dizajna mnogo bržim".

Studija se pojavljuje u unaprijed online izdanju časopisa Nature.

Dizajnerska RNA

Opisani pristup koristi sklopove sastavljene od ribonukleinske kiseline ili RNA. Ove sklopne konstrukcije, koje nalikuju konvencionalnim elektroničkim krugovima, sami se skupljaju u bakterijskim stanicama, omogućujući im da osjete dolazne poruke i reagiraju na njih stvarajući određenu izračunsku produktivnost (u ovom slučaju, protein).

U novoj studiji, specijalizirani krugovi poznati kao logičke kapije dizajnirani su u laboratoriju, a zatim ugrađeni u žive stanice. Mali prekidači sklopa se aktiviraju kada se poruke (u obliku RNA fragmenata) pridruže komplementarnim RNA sekvencama u staničnom krugu, aktivirajući logička vrata i proizvode željeni izlaz.

RNA sklopke mogu se kombinirati na različite načine kako bi se proizvela složenija logička vrata sposobna za procjenu i odgovaranje na više ulaza, baš kao što jednostavno računalo može potrajati nekoliko varijabli i obavljati sekvencijalne operacije poput dodavanja i oduzimanja kako bi se postigao konačni rezultat.

Nova studija dramatično poboljšava jednostavnost s kojom se može provesti stanično računanje. RNK-jedini pristup proizvodnji staničnih nano-uređaja je značajan napredak, jer su rani napori zahtijevali upotrebu složenih posrednika, poput proteina. Sada, potrebni ribocomputing dijelovi mogu se lako dizajnirati na računalu. Jednostavna svojstva uparivanja baze četiri nukleotidna slova RNA (A, C, G i U) osiguravaju predvidljivu samonastavku i funkcioniranje tih dijelova unutar živih stanica.

Zeleni rad na ovom području započeo je na Wyss Institutu na Harvardu, gdje je pomogao razviti središnju komponentu koja se koristi u staničnim krugovima, poznatoj kao prekidač za gledanje RNA. Rad je proveden dok je Green bio postdod suradnik s stručnjaka za nanotehnologiju Peng Yin, zajedno s sintetskim biologima Jamesom Collinsom i Pamelom Silverom, koji su svi koautori na novom papiru. "Prvi eksperimenti su bili 2012", kaže Green. "U osnovi, prekidači za točenje izvedeni su tako dobro da smo željeli pronaći način da ih najbolje iskoristimo za mobilne aplikacije."

Nakon dolaska u ASU, Greenov prvi student u gradu Duo Ma radio je na eksperimentima u Biodesign institutu, dok je drugi postdoc Jongmin Kim nastavio s istim radom na Wyss Institutu. Obojica su također suautori nove studije.

Prirodni Pentium čip

Mogućnost korištenja DNK i RNA, molekula života, za obavljanje kompjuterskih računanja prvi put je 1994. pokazao Leonard Adleman sa Sveučilišta Southern California. Od tada, brz napredak je znatno unaprijedio polje, a nedavno je takvo molekularno računanje ostvareno unutar živih stanica. (U tu svrhu obično se koriste bakterijske stanice jer su jednostavnije i jednostavnije manipulirati.)

Tehnika opisana u novom radu koristi se činjenica da je RNA, za razliku od DNA, jednolančana kada se proizvodi u stanicama. To omogućava istraživačima da oblikuju RNA krugove koji se mogu aktivirati kada komplementarni RNA cjedilu veže uz izloženu RNA sekvencu u projektiranom krugu. Ovo vezanje komplementarnih niti je redovito i predvidljivo, s A nukleotidima koji uvijek uparavaju s U i C uvijek uparivanjem s G.

S obzirom na sve elemente obrade kruga napravljenog pomoću RNA, koji mogu zauzeti astronomski broj mogućih sekvenci, stvarna snaga novoprimljene metode leži u njegovoj sposobnosti da istovremeno izvodi mnoge operacije. Ovaj kapacitet za paralelnu obradu omogućuje brži i sofisticiranije računanje, a učinkovito korištenje ograničenih resursa ćelije.

Logični rezultati

U novoj studiji, logička vrata poznata kao AND, OR i NOT su dizajnirana. I gate proizvodi izlaz u ćeliji samo kada su prisutne dvije RNA poruke A i B. OR vrata reagiraju na A ili B, dok NOT vrata neće blokirati izlaz ako je prisutan dan RNA ulaz. Kombiniranje ovih vrata može proizvesti složenu logiku koja može odgovoriti na više ulaza.

Korištenjem RNA prekidača za gledanje, istraživači su proizveli prve uređaje za ribo kompaktiranje koji su sposobni za četiri ulazne I, šest ulazne OR i 12-ulazne uređaje koji mogu provesti složenu kombinaciju AND, OR i NOT logika poznatog kao disjunktivni normalni oblik ekspresije. Kada logička vrata susreću ispravne RNA vezujuće sekvence koje dovode do aktivacije, otvara se prekidač toehold i proces translacije proteina. Sve ove funkcije senzora i izlaza mogu se integrirati u istu molekulu, čineći sustave kompaktnijim i jednostavnijim za implementaciju u ćeliji.

Istraživanje predstavlja sljedeću fazu tekućeg rada korištenjem vrlo svestranih RNA prekidača za točenje. U ranijem radu, Green i njegovi kolege pokazali su da je jeftin, papirnati niz RNA prekidača za gledanje mogao djelovati kao vrlo precizna platforma za dijagnosticiranje Zike virusa. Otkrivanje virusne RNA pomoću polja aktivira prekidače za napajanje, pokrećući proizvodnju proteina, koji je zabilježen kao promjena boje na polju.

Osnovno načelo korištenja RNA-uređaja na bazi reguliranja proizvodnje proteina može se primijeniti na gotovo bilo koji ulaz RNA, potaknuvši novu generaciju točne, niske cijene dijagnoze za širok raspon bolesti. Pristup bez stanica osobito je prikladan za prijetnje u nastajanju i tijekom izbijanja bolesti u zemljama u razvoju, gdje medicinski resursi i osoblje mogu biti ograničeni.

Računalo unutar

Prema Greenu, sljedeća faza istraživanja će se usredotočiti na korištenje tehnologije RNA očuvanja za proizvodnju tzv neuronskih mreža unutar živih ćelija-sklopova koji mogu analizirati niz ekscitatornih i inhibitornih ulaza, usrednjavajući ih i stvarajući izlaz jednom postignut je određeni prag aktivnosti, mnogo načina na koji neuron prosječno dolazne signale od drugih neurona. Konačno, istraživači se nadaju da će potaknuti stanice da komuniciraju jedni s drugima putem programabilnih molekularnih signala, stvarajući istinski interaktivnu mrežu poput mozga.

"Zato što koristimo RNA, univerzalnu molekulu života, znamo da takve interakcije mogu raditi iu drugim stanicama, pa naša metoda pruža opću strategiju koja bi mogla biti prenesena drugim organizmima", kaže Green, aludirajući na budućnost u kojoj ljudske stanice postaju potpuno programabilni entiteti s opsežnim biološkim sposobnostima.

menu
menu