Elektroniczne układy cyfrowe odwzorowane w obwodach logicznych zbudowanych w żywych komórkach

Biolodzy odkryli nową metodę cyfrowego przetwarzania informacji w żywych komórkach, analogiczną do przetwarzania sygnałów elektrycznych w bramkach logicznych stosowanych w obwodach elektronicznych. Opublikowane wyniki badań dotyczących obwodów logicznych w komórkach eukariotycznych są jak dotychczas największym krokiem w kierunku wykorzystaniu potencjału komórek jako żywych komputerów.

170525085123 1 540x360

Rysunek przedstawiający połączone bramki CRISPR-dCas9 NOR. Źródło: University of Washington.

 

Komórki żywe muszą stale przetwarzać informacje, aby śledzić zmieniający się świat wokół nich i uzyskiwać odpowiednią odpowiedź. Przez miliardy lat prób i błędów ewolucja dotarła do trybu przetwarzania informacji na poziomie komórkowym. W mikrochipach, które znajdują się w naszych komputerach, możliwość przetwarzania informacji jest zredukowana do jednoznacznych zer i jedynek. W komórkach nie jest to takie proste. DNA, białka, lipidy i cukry są rozmieszczone w skomplikowanych i złożonych strukturach. Naukowcy, którzy chcą wykorzystać potencjał komórek jako żywych komputerów, które mogą reagować na choroby, wydajnie produkować biopaliwa lub syntetyzować chemikalia pochodzenia roślinnego - nie chcą czekać na ewolucję w celu sprecyzowania pożądanego systemu komórkowego.

W nowym artykule opublikowanym 25 maja w Nature Communications zespół badaczy biologii syntetycznej UW (dyscyplina naukowa stanowiąca połączenie biologii molekularnej i inżynierii), odkrył nową metodę cyfrowego przetwarzania informacji w żywych komórkach, analogiczną do stosowanej w bramkach logicznych obwodów elektronicznych. Zbudowano zestaw syntetycznych genów, które działają w komórkach, tak jak bramki NOR, które posiadają dwa wejścia i przekazują dodatni sygnał H, jeśli oba wejścia są w stanie niskim L. Bramki NOR są funkcjonalnie pełnymi, co oznacza, że ​​można je zmontować w różnych układach, aby uzyskać dowolny rodzaj obwodu przetwarzania informacji. Inżynierowie z UW wykonali to wszystko używając DNA zamiast krzemu i lutowia, wewnątrz komórek drożdży zamiast na elektronicznym stole warsztatowym. Obwody zbudowane przez naukowców są największymi jak dotychczas układami na komórkach eukariotycznych, które, podobnie jak ludzkie komórki, zawierają jądro i inne struktury umożliwiające złożone działanie.

"Podczas wdrażania prostych programów w komórkach nigdy nie będzie możliwe osiągnięcie szybkości i dokładności obliczeń dostępnych w układach krzemowych, programy genetyczne mogą bezpośrednio oddziaływać z otoczeniem komórki", powiedział profesor inżynierii elektrycznej z UW, Eric Klavins. "Na przykład, przeprogramowane komórki pacjenta mogą podejmować trafne, terapeutyczne decyzje w najbardziej odpowiednich tkankach, eliminując potrzebę złożonej diagnostyki i szerokiego spektrum podejścia do leczenia". Każda komórkowa bramka NOR składa się z genu z trzema programowalnymi odcinkami DNA - dwa, które działają jako wejścia, a trzecie jako wyjście. Skorzystano ze stosunkowo nowej technologii znanej jako CRISPR-Cas9, aby kierować te specyficzne sekwencje DNA wewnątrz komórki. Białko Cas9 działa jak cząsteczkowy strażnik w obwodzie, decydujący czy dana bramka będzie aktywna czy nie. Jeśli bramka jest aktywna, wytwarza sygnał, który kieruje Cas9 do dezaktywacji innej bramki w obwodzie. W ten sposób naukowcy mogą "drukować" razem bramki, aby tworzyć logiczne programy w komórce. Pomimo skali złożoności zadania pomyślnie zmontowano obwody, które składają się do siedmiu bramek NOR montowanych szeregowo lub równolegle. W takim rozmiarze układy mogą wykonywać bardzo użyteczne działania, przyjmując informacje z różnych czujników środowiskowych i wykonując obliczenia, aby zdecydować się na poprawną odpowiedź. Przewidywane zastosowania obejmują modyfikację komórek odpornościowych, które mogą wykrywać i reagować na markery rakowe lub bakterie, łatwo diagnozując choroby zakaźne w tkance pacjenta. Te duże obwody DNA są ważnym krokiem w kierunku możliwości programowania żywych komórek. Są to ramy, w których można łatwo wdrożyć programy logiczne w celu kontrolowania funkcji i stanu komórek.

Literatura:

Miles W. Gander, Justin D. Vrana, William E. Voje, James M. Carothers, Eric Klavins. Cyfrowe układy logiczne w drożdżach z bramkami NORCSIS-dCas9 NOR. Nature Communications, 2017; 8: 15459 DOI: 10.1038 / NCOMMS15459

 

Data publikacji oryginału: 25 maja 2017 r

Źródło: University of Washington