Das überarbeitete Design könnte leistungsstarke biologische Computer aus dem Reagenzglas in die Zelle bringen

Winzige biologische Computer aus DNA könnten die Art und Weise revolutionieren, wie wir eine Reihe von Krankheiten diagnostizieren und behandeln, sobald die Technologie vollständig ausgereift ist. Ein großer Stolperstein für diese DNA-basierten Geräte, die sowohl in Zellen als auch in flüssigen Lösungen funktionieren können, war jedoch ihre Kurzlebigkeit. Nur eine Verwendung und die Computer sind ausgegeben.

Jetzt haben Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) möglicherweise langlebige biologische Computer entwickelt, die möglicherweise in Zellen bestehen bleiben könnten. In einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Wissenschaftliche Fortschritteverzichten die Autoren auf den traditionellen DNA-basierten Ansatz und entscheiden sich stattdessen dafür, die Nukleinsäure-RNA zum Bau von Computern zu verwenden. Die Ergebnisse zeigen, dass die RNA-Schaltkreise genauso zuverlässig und vielseitig sind wie ihre DNA-basierten Gegenstücke. Darüber hinaus können lebende Zellen diese RNA-Schaltkreise möglicherweise kontinuierlich erstellen, was mit DNA-Schaltkreisen nicht ohne weiteres möglich ist, was die RNA weiter als vielversprechenden Kandidaten für leistungsstarke, langlebige biologische Computer positioniert.

Ähnlich wie der Computer oder das intelligente Gerät, auf dem Sie dies wahrscheinlich lesen, können biologische Computer so programmiert werden, dass sie verschiedene Arten von Aufgaben ausführen.

„Der Unterschied besteht darin, dass Sie anstelle der Codierung mit Einsen und Nullen Zeichenfolgen aus A, T, C und G schreiben, die die vier chemischen Basen sind, aus denen die DNA besteht“, sagte Samuel Schaffter, NIST-Postdoktorand und Hauptautor der Studie .

Indem eine bestimmte Basensequenz zu einem Nukleinsäurestrang zusammengesetzt wird, können Forscher bestimmen, woran er bindet. Ein Strang könnte so konstruiert werden, dass er sich an bestimmte DNA-, RNA- oder einige Proteine, die mit einer Krankheit in Verbindung stehen, anheftet und dann chemische Reaktionen mit anderen Strängen im selben Kreislauf auslöst, um chemische Informationen zu verarbeiten und schließlich eine Art nützlichen Output zu produzieren.

Diese Ausgabe könnte ein nachweisbares Signal sein, das die medizinische Diagnostik unterstützen könnte, oder es könnte ein therapeutisches Medikament zur Behandlung einer Krankheit sein.

DNA ist jedoch nicht das stabilste Material und kann unter bestimmten Bedingungen schnell auseinanderfallen. Zellen können feindliche Umgebungen sein, da sie oft Proteine ​​enthalten, die Nukleinsäuren zerkleinern. Und selbst wenn DNA-Sequenzen lange genug haften bleiben, um ihr Ziel zu erkennen, machen die chemischen Bindungen, die sie bilden, sie danach unbrauchbar.

„Sie können Dinge wie die kontinuierliche Überwachung von Mustern in der Genexpression nicht tun. Sie dienen nur einer Verwendung, was bedeutet, dass sie Ihnen nur eine Momentaufnahme geben“, sagte Schaffter.

Da RNA ebenfalls eine Nukleinsäure ist, teilt sie viele der Probleme der DNA, wenn es darum geht, ein biologischer Computerbaustein zu sein. Es ist anfällig für einen schnellen Abbau, und nachdem ein Strang chemisch an ein Zielmolekül gebunden hat, ist dieser Strang fertig. Aber im Gegensatz zu DNA könnte RNA unter den richtigen Bedingungen eine erneuerbare Ressource sein. Um diesen Vorteil zu nutzen, mussten Schaffter und seine Kollegen zunächst zeigen, dass RNA-Schaltkreise, die Zellen theoretisch herstellen könnten, genauso gut funktionieren wie DNA-basierte Schaltkreise.

Der Vorteil von RNA gegenüber DNA ergibt sich aus einem natürlichen zellulären Prozess namens Transkription, bei dem Proteine ​​kontinuierlich RNA produzieren, indem sie die DNA einer Zelle als Vorlage verwenden. Wenn die DNA im Genom einer Zelle für die Schaltungskomponenten in einem biologischen Computer kodiert, dann würde die Zelle die Computerkomponenten kontinuierlich produzieren.

Im biologischen Computerprozess können einzelne Nukleinsäurestränge in einem Schaltkreis leicht an andere Stränge im selben Schaltkreis gebunden werden, ein unerwünschter Effekt, der verhindert, dass Schaltkreiskomponenten an ihre beabsichtigten Ziele binden. Das Design dieser Schaltungen bedeutet oft, dass verschiedene Komponenten natürlich zueinander passen.

Um eine unerwünschte Bindung zu verhindern, werden DNA-Sequenzen, die Teil von Computern sind, sogenannte Strangverdrängungsschaltungen, normalerweise (in Maschinen und nicht in Zellen) separat und in doppelsträngiger Form synthetisiert. Da jede chemische Base auf jedem Strang an eine Base auf dem anderen gebunden ist, fungiert dieser Doppelstrang als verschlossenes Tor, das sich nur öffnen würde, wenn die Zielsequenz auftauchte und den Platz eines der Stränge einnahm.

Schaffter und Elizabeth Strychalski, Leiterin der Cellular Engineering Group des NIST und Co-Autorin der Studie, versuchten, diese „Locked Gate“-Funktion in ihrem RNA-Schaltkreis nachzuahmen, wobei sie im Hinterkopf hatten, dass Zellen diese Locked Gates letztendlich selbst produzieren müssten. Um die Zellen für den Erfolg vorzubereiten, schrieben die Forscher die Sequenzen so, dass eine Hälfte der Stränge bündig mit der anderen Hälfte binden konnte. Auf diese Weise bindend, würden sich RNA-Sequenzen wie ein Hotdog-Brötchen zusammenfalten und sicherstellen, dass sie in einem verschlossenen Zustand sind.

Aber um richtig zu funktionieren, müssten die Gates zwei chemisch gebundene, aber unterschiedliche Stränge sein, eher wie ein Hamburger-Brötchen oder Sandwich als ein Hotdog-Brötchen. Das Team erhielt das doppelsträngige Design in ihren Gates, indem es in der Nähe des Faltungspunkts der Gates einen als Ribozym bezeichneten RNA-Abschnitt codierte. Dieses spezielle Ribozym – das aus dem Genom eines Hepatitisvirus stammt – würde sich selbst durchtrennen, nachdem der RNA-Strang, in den es eingebettet war, gefaltet wurde, wodurch zwei separate Stränge entstehen.

Die Autoren testeten, ob ihre Schaltkreise grundlegende logische Operationen ausführen konnten, wie z. B. das Öffnen ihrer Tore nur unter bestimmten Szenarien, z. B. wenn eine von zwei spezifischen RNA-Sequenzen vorhanden war oder nur wenn beide gleichzeitig vorhanden waren. Sie bauten und untersuchten auch Schaltungen aus mehreren Gattern, die verschiedene logische Operationen in Reihe durchführten. Nur wenn diese Schaltkreise auf die richtige Kombination von Sequenzen trafen, würden sich ihre Tore wie Dominosteine ​​eines nach dem anderen öffnen.

Die Experimente beinhalteten, verschiedene Schaltkreise RNA-Stücken auszusetzen – von denen die Schaltkreise an einigen haften sollten – und die Leistung der Schaltkreise zu messen. In diesem Fall war der Ausgang am Ende jedes Schaltkreises ein fluoreszierendes Reportermolekül, das aufleuchtete, sobald das letzte Tor entriegelt war.

Die Forscher verfolgten auch die Rate, mit der die Tore entriegelt wurden, als die Schaltkreise Eingaben verarbeiteten, und verglichen ihre Messungen mit den Vorhersagen von Computermodellen.

„Für mich mussten diese in einem Reagenzglas so prädiktiv arbeiten wie DNA-Computing. Das Schöne an DNA-Schaltkreisen ist meistens, dass man einfach eine Sequenz auf ein Blatt Papier schreiben kann und es so funktioniert Sie wollen“, sagte Schaffter. „Das Wichtigste hier ist, dass wir festgestellt haben, dass die RNA-Schaltkreise sehr vorhersehbar und programmierbar sind, viel mehr als ich eigentlich dachte.“

Die Ähnlichkeiten in der Leistung zwischen DNA- und RNA-Schaltkreisen könnten darauf hindeuten, dass es vorteilhaft sein könnte, zu letzterem zu wechseln, da RNA transkribiert werden kann, um die Komponenten eines Schaltkreises wieder aufzufüllen. Und viele bestehende DNA-Schaltkreise, die Forscher bereits entwickelt haben, um verschiedene Aufgaben zu erfüllen, könnten theoretisch gegen RNA-Versionen ausgetauscht werden und sich genauso verhalten. Allerdings müssen die Autoren der Studie die Technologie noch weiter vorantreiben.

In dieser Studie zeigten die Autoren, dass transkribierbare Schaltkreise funktionieren, aber sie haben sie noch nicht mit der echten zellulären Transkriptionsmaschinerie hergestellt. Stattdessen synthetisierten Maschinen die Nukleinsäuren durch einen Prozess, der dem ähnelt, der zur Herstellung von DNA für die Forschung verwendet wird. Der nächste Schritt würde das Einfügen von DNA in das Genom eines Organismus erfordern, wo sie als Blaupause für RNA-Schaltkreiskomponenten dienen würde.

„Wir sind daran interessiert, diese als nächstes in Bakterien einzubringen. Wir wollen wissen: Können wir Schaltungsdesigns mit unserer Strategie in genetisches Material verpacken? Können wir die gleiche Leistung und das gleiche Verhalten erzielen, wenn sich die Schaltungen in Zellen befinden?“ sagte Schaffter. „Wir haben das Potenzial dazu.“