Междисциплинарная связь биологии и инженерии, известная как синтетическая биология, развивается быстрыми темпами, открывая новые горизонты, которые еще совсем недавно трудно было себе представить.
В новом исследовании Алекс Грин, профессор Института биодизайна ASU, демонстрирует, как можно заставить живые клетки выполнять вычисления подобно крошечным роботам или компьютерам.
Результаты нового исследования имеют важное значение для разработки интеллектуальных лекарств и интеллектуальной доставки лекарств, производства экологически чистой энергии, недорогих диагностических технологий и даже разработки футуристических наномашин, способных выслеживать раковые клетки или отключать аберрантные гены..
«Мы используем очень предсказуемые и программируемые взаимодействия РНК-РНК, чтобы определить, что могут делать эти схемы», - говорит Грин. «Это означает, что мы можем использовать компьютерное программное обеспечение для создания последовательностей РНК, которые ведут себя в клетке так, как мы хотим. Это значительно ускоряет процесс проектирования».
Дизайнерская РНК
Описанный подход использует схемы, состоящие из рибонуклеиновой кислоты или РНК. Эти конструкции схем, которые напоминают обычные электронные схемы, самособираются в бактериальных клетках, позволяя им воспринимать входящие сообщения и реагировать на них, производя определенный вычислительный результат (в данном случае белок).
В новом исследовании специализированные схемы, известные как логические вентили, были разработаны в лаборатории, а затем встроены в живые клетки. Крошечные переключатели цепи срабатывают, когда сообщения (в форме фрагментов РНК) прикрепляются к своим комплементарным последовательностям РНК в клеточной цепи, активируя логический вентиль и производя желаемый результат.
Переключатели РНК можно комбинировать различными способами для создания более сложных логических элементов, способных оценивать и реагировать на несколько входных данных, точно так же, как простой компьютер может принимать несколько переменных и выполнять последовательные операции, такие как сложение и вычитание, чтобы достичь конечный результат.
Новое исследование значительно упрощает выполнение мобильных вычислений. Подход к производству клеточных наноустройств, основанный только на РНК, является значительным достижением, поскольку более ранние усилия требовали использования сложных посредников, таких как белки. Теперь необходимые части рибокомпьютера можно легко спроектировать на компьютере. Простое спаривание оснований четырех нуклеотидных букв РНК (A, C, G и U) обеспечивает предсказуемую самосборку и функционирование этих частей в живой клетке.
Работа Грина в этой области началась в Институте Висса в Гарварде, где он помог разработать центральный компонент, используемый в клеточных цепях, известный как РНК-переключатель пальцев. Работа была выполнена, когда Грин был постдоком, работая с экспертом по нанотехнологиям Пэн Инь, а также с биологами-синтетиками Джеймсом Коллинзом и Памелой Сильвер, которые являются соавторами новой статьи. «Первые эксперименты были в 2012 году, - говорит Грин. «В принципе, переключатели Toehold работали так хорошо, что мы хотели найти способ наилучшим образом использовать их для сотовых приложений».
После прибытия в ASU первый аспирант Грина Дуо Ма работал над экспериментами в Институте биодизайна, в то время как другой постдоктор, Чонмин Ким, продолжил аналогичную работу в Институте Висса. Оба также являются соавторами нового исследования.
Чип Pentium от Nature
Возможность использования ДНК и РНК, молекул жизни, для выполнения компьютерных вычислений была впервые продемонстрирована в 1994 году Леонардом Адлеманом из Университета Южной Калифорнии. С тех пор быстрый прогресс значительно продвинул эту область, и недавно такие молекулярные вычисления были реализованы в живых клетках.(Для этой цели обычно используются бактериальные клетки, поскольку они проще и ими легче манипулировать.)
Техника, описанная в новой статье, использует тот факт, что РНК, в отличие от ДНК, является одноцепочечной, когда она производится в клетках. Это позволяет исследователям проектировать цепи РНК, которые могут быть активированы, когда комплементарная цепь РНК связывается с открытой последовательностью РНК в разработанной цепи. Это связывание комплементарных цепей является регулярным и предсказуемым: нуклеотиды A всегда соединяются с U, а C всегда соединяются с G.
Со всеми элементами обработки схемы, выполненными с использованием РНК, которая может принимать на себя астрономическое количество потенциальных последовательностей, реальная сила вновь описанного метода заключается в его способности выполнять множество операций одновременно. Эта способность к параллельной обработке позволяет выполнять более быстрые и сложные вычисления при эффективном использовании ограниченных ресурсов ячейки.
Логические результаты
В новом исследовании были разработаны логические элементы, известные как И, ИЛИ и НЕ. Логический элемент И производит вывод в ячейке только тогда, когда присутствуют два РНК-сообщения A и B. Вентиль ИЛИ отвечает либо на A, либо на B, в то время как вентиль НЕ блокирует вывод, если присутствует данный вход РНК. Комбинация этих вентилей может создать сложную логику, способную реагировать на несколько входных данных.
Используя РНК-переключатели, исследователи создали первые рибокомпьютерные устройства, способные к четырем входам И, шести входам ИЛИ и устройству с 12 входами, способному выполнять сложную комбинацию логических операций И, ИЛИ и НЕ, известную как дизъюнктивное выражение нормальной формы. Когда логический вентиль встречает правильные последовательности связывания РНК, ведущие к активации, размыкается переключатель фиксации и происходит процесс трансляции в белок. Все эти функции обнаружения цепей и вывода могут быть интегрированы в одну и ту же молекулу, что делает системы компактными и простыми для реализации в клетке.
Исследование представляет собой следующий этап текущей работы с использованием универсальных переключателей RNA toehold. В более ранней работе Грин и его коллеги продемонстрировали, что недорогая бумажная цепочка РНК-переключателей может служить высокоточной платформой для диагностики вируса Зика. Обнаружение вирусной РНК с помощью массива активировало переключатели, вызывающие выработку белка, что регистрировалось как изменение цвета на массиве.
Основной принцип использования устройств на основе РНК для регуляции производства белка может быть применен практически к любому входу РНК, открывая новое поколение точных и недорогих средств диагностики широкого спектра заболеваний. Бесклеточный подход особенно хорошо подходит для возникающих угроз и во время вспышек заболеваний в развивающихся странах, где медицинские ресурсы и персонал могут быть ограничены.
Компьютер внутри
По словам Грина, следующий этап исследований будет сосредоточен на использовании технологии РНК для создания так называемых нейронных сетей в живых клетках - цепей, способных анализировать ряд возбуждающих и тормозных сигналов, усреднять их и создание выходных данных после достижения определенного порога активности, подобно тому, как нейрон усредняет входящие сигналы от других нейронов. В конечном итоге исследователи надеются заставить клетки общаться друг с другом с помощью программируемых молекулярных сигналов, формируя по-настоящему интерактивную сеть, подобную мозгу.
«Поскольку мы используем РНК, универсальную молекулу жизни, мы знаем, что эти взаимодействия могут работать и в других клетках, поэтому наш метод обеспечивает общую стратегию, которую можно перенести на другие организмы», - говорит Грин, намекая на к будущему, в котором человеческие клетки станут полностью программируемыми объектами с обширными биологическими возможностями.
В сопроводительном видео демонстрируются основные принципы РНК-переключателя.