Concezione

Il design rinnovato potrebbe trasportare potenti computer biologici dalla provetta alla cella

Piccoli computer biologici fatti di DNA potrebbero rivoluzionare il modo in cui diagnostichiamo e curiamo una serie di malattie, una volta che la tecnologia sarà completamente sviluppata. Tuttavia, uno dei principali ostacoli per questi dispositivi basati sul DNA, che possono funzionare sia nelle cellule che nelle soluzioni liquide, è la loro breve durata. Un uso e i computer sono esausti.

Ora, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) potrebbero aver sviluppato computer biologici di lunga durata che potrebbero potenzialmente persistere all’interno delle cellule. In un articolo pubblicato sulla rivista Science Advances, gli autori rinunciano al tradizionale approccio basato sul DNA, optando invece per utilizzare l’RNA dell’acido nucleico per costruire computer. I risultati dimostrano che i circuiti dell’RNA sono affidabili e versatili quanto le loro controparti basate sul DNA. Inoltre, le cellule viventi possono essere in grado di creare questi circuiti di RNA continuamente, cosa non facilmente possibile con i circuiti di DNA, posizionando ulteriormente l’RNA come un candidato promettente per computer biologici potenti e durevoli.

Proprio come il computer o il dispositivo intelligente di cui probabilmente stai leggendo questo articolo, i computer biologici possono essere programmati per eseguire diversi tipi di attività.

“La differenza è che invece di codificare con uno e zero, si scrivono stringhe di A, T, C e G, che sono le quattro basi chimiche che compongono il DNA”, ha affermato Samuel Schaffter, ricercatore post-dottorato al NIST e autore principale del studia. .

Assemblando una specifica sequenza di basi in un filamento di acido nucleico, i ricercatori possono dettare a cosa si lega. Un filamento potrebbe essere progettato per attaccarsi a specifici pezzi di DNA, RNA o determinate proteine ​​​​associate alla malattia e quindi innescare reazioni chimiche con altri filamenti nello stesso circuito per elaborare le informazioni chimiche e alla fine produrre una sorta di output utile.

Questo output potrebbe essere un segnale rilevabile che potrebbe aiutare la diagnostica medica o potrebbe essere un farmaco terapeutico per curare una malattia.

Tuttavia, il DNA non è il materiale più resistente e può sfaldarsi rapidamente in determinate condizioni. Le cellule possono essere ambienti ostili, poiché spesso contengono proteine ​​che tagliano gli acidi nucleici. E anche se le sequenze di DNA rimangono abbastanza a lungo per rilevare il loro bersaglio, i legami chimici che formano le rendono inutili in seguito.

“Non possono fare cose come monitorare costantemente i modelli di espressione genica. Sono monouso, il che significa che ti danno solo un’istantanea”, ha detto Schaffter.

Essendo anche un acido nucleico, l’RNA condivide molti problemi con il DNA quando si tratta di essere un elemento costitutivo del computer biologico. È suscettibile di una rapida degradazione e dopo che un filamento si lega chimicamente a una molecola bersaglio, quel filamento viene terminato. Ma a differenza del DNA, l’RNA potrebbe essere una risorsa rinnovabile nelle giuste condizioni. Per sfruttare questo vantaggio, Schaffter e i suoi colleghi hanno dovuto prima dimostrare che i circuiti dell’RNA, che le cellule sarebbero teoricamente in grado di produrre, potrebbero funzionare come quelli basati sul DNA.

Il vantaggio dell’RNA rispetto al DNA deriva da un processo cellulare naturale chiamato trascrizione, in cui le proteine ​​producono continuamente RNA utilizzando il DNA di una cellula come modello. Se il DNA nel genoma di una cellula codificasse per i componenti del circuito di un computer biologico, la cellula produrrebbe continuamente i componenti del computer.

Nel processo di calcolo biologico, singoli filamenti di acidi nucleici in un circuito possono facilmente finire legati ad altri filamenti nello stesso circuito, un effetto indesiderato che impedisce ai componenti del circuito di legarsi ai bersagli previsti. Il design di questi circuiti spesso significa che i diversi componenti si incastreranno in modo naturale.

Per evitare legami indesiderati, le sequenze di DNA che fanno parte di computer noti come circuiti di spostamento del filamento vengono solitamente sintetizzate (in macchine anziché in cellule) separatamente e in forma a doppio filamento. Con ogni base chimica in ogni filamento legato a una base nell’altro, questo doppio filamento agisce come una porta chiusa a chiave che si sbloccherebbe solo se la sequenza bersaglio arrivasse e prendesse il posto di uno dei filamenti.

Schaffter ed Elizabeth Strychalski, capo del gruppo di ingegneria cellulare del NIST e coautrice dello studio, hanno cercato di imitare questa funzione di “porta chiusa” nei loro circuiti dell’RNA, tenendo presente che alla fine le cellule avrebbero dovuto produrre queste porte chiuse da sole. Per preparare le cellule al successo, i ricercatori hanno scritto le sequenze in modo che una metà dei filamenti potesse legarsi all’altra metà. Legandosi in questo modo, le sequenze di RNA si ripiegherebbero su se stesse come un panino da hot dog, assicurandosi che siano in uno stato bloccato.

Ma per funzionare correttamente, i cancelli dovrebbero essere due fili legati chimicamente ma separati, più simili a un panino o un panino per hamburger che a un panino con hot dog. Il team ha ottenuto il design a doppio filamento nei propri cancelli codificando un tratto di RNA chiamato ribozima vicino al punto di piegatura dei cancelli. Si dice che questo particolare ribozima – prelevato dal genoma di un virus dell’epatite – si separi dopo che il filamento di RNA è stato incorporato nelle curve, creando due filamenti separati.

Gli autori hanno verificato se i loro circuiti potessero eseguire operazioni logiche di base, come sbloccare le porte solo in scenari specifici, come se fosse presente una delle due sequenze di RNA specifiche o solo se fossero presenti entrambe contemporaneamente. Hanno anche costruito ed esaminato circuiti costituiti da più porte che eseguivano diverse operazioni logiche in serie. Solo quando questi circuiti incontravano la giusta combinazione di sequenze, le loro porte si aprivano una per una come le tessere del domino.

Gli esperimenti hanno comportato l’esposizione di diversi circuiti a bit di RNA – alcuni dei quali i circuiti sono stati progettati per attaccarsi – e la misurazione dell’uscita dei circuiti. In questo caso, l’uscita alla fine di ogni circuito era una molecola reporter fluorescente che si accendeva una volta sbloccato il gate finale.

I ricercatori hanno anche monitorato la velocità con cui le porte si sono sbloccate mentre i circuiti elaboravano gli input e hanno confrontato le loro misurazioni con le previsioni del modello del computer.

“Per me, questi dovevano funzionare in una provetta in modo predittivo come il calcolo del DNA. La cosa buona con i circuiti del DNA è che la maggior parte delle volte puoi semplicemente scrivere una sequenza su un pezzo di carta e funzionerà in questo modo. “Vuoi”, disse Schaffter. “La linea di fondo qui è che abbiamo scoperto che i circuiti RNA sono molto prevedibili e programmabili, molto più di quanto pensassi, in realtà. »

Le somiglianze nelle prestazioni tra i circuiti del DNA e dell’RNA potrebbero indicare che potrebbe essere vantaggioso passare a quest’ultimo, poiché l’RNA può essere trascritto per riassemblare i componenti di un circuito. E molti dei circuiti del DNA esistenti che i ricercatori hanno già sviluppato per svolgere vari compiti potrebbero teoricamente essere sostituiti da versioni di RNA e comportarsi allo stesso modo. Per essere sicuri, tuttavia, gli autori dello studio devono spingere ulteriormente la tecnologia.

In questo studio, gli autori hanno dimostrato che i circuiti trascrivibili funzionano, ma non li hanno ancora prodotti utilizzando il vero meccanismo di trascrizione cellulare. Invece, le macchine sintetizzavano gli acidi nucleici attraverso un processo simile a quello utilizzato per produrre il DNA per la ricerca. Per fare il passo successivo sarebbe necessario inserire il DNA nel genoma di un organismo, dove servirebbe da stampo per i componenti del circuito dell’RNA.

“Poi vogliamo metterli nei batteri. Vogliamo sapere: possiamo incorporare progetti di circuiti nel materiale genetico usando la nostra strategia? Possiamo ottenere lo stesso tipo di prestazioni e comportamento quando i circuiti sono all’interno delle celle? ha detto Schaffter. “Abbiamo il potenziale. »

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