Neue Biocomputing-Methode nutzt Enzyme als Katalysatoren für DNA-basiertes Molecular Computing

Von der Früherkennung und internen Behandlung von Krankheiten bis hin zu futuristischen Anwendungen wie der Erweiterung des menschlichen Gedächtnisses, Biological Computing oder Biocomputing hat das Potenzial, Medizin und Computer zu revolutionieren.

Herkömmliche Computerhardware ist in ihrer Fähigkeit, mit lebenden Organen zu kommunizieren, begrenzt, was die Entwicklung medizinischer Geräte behindert hat. Computergesteuerte Implantate benötigen eine ständige Stromversorgung, sie können Narben im Weichgewebe verursachen, die sie unbrauchbar machen, und sie können sich nicht selbst heilen, wie es Organismen können. Durch die Verwendung biologischer Moleküle wie DNA oder Proteine ​​hat das Biocomputing das Potenzial, diese Einschränkungen zu überwinden.

Biocomputing wird normalerweise entweder mit lebenden Zellen oder mit nicht lebenden, enzymfreien Molekülen durchgeführt. Lebende Zellen können sich selbst ernähren und heilen, aber es kann schwierig sein, Zellen von ihren normalen Funktionen auf Berechnungen umzulenken. Nicht lebende Moleküle lösen einige der Probleme lebender Zellen, haben aber schwache Ausgangssignale und sind schwierig feinabzustimmen und zu regulieren.

In neuen Forschungsergebnissen, veröffentlicht in Naturkommunikationhat ein Forscherteam an der University of Minnesota eine Plattform für eine dritte Methode des Biocomputing entwickelt: Trumpet oder Transcriptional RNA Universal Multi-Purpose GatE PlaTform.

Trumpet nutzt biologische Enzyme als Katalysatoren für DNA-basiertes Molecular Computing. Die Forscher führten logische Gatteroperationen, ähnlich den Operationen, die von allen Computern durchgeführt werden, in Reagenzgläsern unter Verwendung von DNA-Molekülen durch. Eine positive Gate-Verbindung führte zu einem phosphoreszierenden Leuchten. Die DNA erzeugt einen Stromkreis, und eine fluoreszierende RNA-Verbindung leuchtet auf, wenn der Stromkreis geschlossen ist, genau wie eine Glühbirne, wenn eine Leiterplatte getestet wird.

Das Forschungsteam hat gezeigt, dass:

Das Team entwickelte auch ein webbasiertes Tool, das das Design von Sequenzen für die Trumpet-Plattform erleichtert.

„Trompete ist eine nicht lebende molekulare Plattform, daher haben wir die meisten Probleme des Lebendzell-Engineerings nicht“, sagte Co-Autorin Kate Adamala, Assistenzprofessorin am College of Biological Sciences. „Wir müssen keine evolutionären Beschränkungen überwinden, um Zellen dazu zu zwingen, Dinge zu tun, die sie nicht tun wollen. Dies verleiht Trumpet auch mehr Stabilität und Zuverlässigkeit, da unsere Logikgatter die Leckageprobleme beim Betrieb lebender Zellen vermeiden.“

Während sich Trumpet noch in einem frühen experimentellen Stadium befindet, hat es ein enormes Potenzial für die Zukunft. „Es könnte viele langfristige neuronale Implantate ermöglichen. Die Anwendungen könnten von rein medizinischen Anwendungen wie der Heilung beschädigter Nervenverbindungen oder der Steuerung von Prothesen bis hin zu eher sci-fi-Anwendungen wie Unterhaltung oder Lernen und erweitertem Gedächtnis reichen“, sagte Adamala.

Hauptautor und Ph.D. Kandidatin Judee Sharon nutzt Trumpet, um biomedizinische Anwendungen für die Früherkennung von Krebs zu entwickeln. Eine weitere mögliche Anwendung ist die „Theranostik“ – kombinierte medizinische Diagnostik und Therapie im Körperinneren. Beispielsweise könnte ein biologischer Kreislauf einen niedrigen Insulinspiegel bei einem Diabetespatienten erkennen und Proteine ​​aktivieren, um das benötigte Insulin herzustellen. Diese Art von Gerät könnte klein genug sein, um im Blutkreislauf eines Patienten zu zirkulieren.