Биомолекулярный компьютер может автономно обнаруживать множественные признаки заболеваний

В будущем нанокомпьютеры, имплантированные в тело человека, смогут автономно сканировать индикаторы заболеваний, ставить диагнозы и контролировать выпуск соответствующих лекарств. Хотя до этого сценария ещё несколько десятилетий, исследователи добиваются значительного прогресса в разработке ранних типов биомолекулярных компьютеров.

В недавнем исследовании, опубликованном в Nano Letters, профессор компьютерных наук Эхуд Шапиро и его коллеги из Института науки Вейцмана в Реховоте (Израиль) разработали биомолекулярный компьютер, способный автономно обнаруживать множество различных типов молекул одновременно. В будущем эта способность может быть интегрирована с обширными биомедицинскими знаниями о болезнях, чтобы позволить компьютерам решать, какие лекарства выпускать.

Нанокомпьютеры, сделанные из биомолекул, смогут «путешествовать» по телу в поисках заболеваний на ранней стадии, диагностировать их и лечить, вводя или активируя терапевтическую биомолекулу.

Разработка основана на предыдущей демонстрации биомолекулярного компьютера, состоящего из двухуровневой системы из биологических компонентов (ДНК и рестриктазы). Компьютер, работающий in vitro, начинает с состояния «Да». На каждом шаге вычислений он проверяет один индикатор заболевания. Если все индикаторы для проверяемой болезни присутствуют, вычисление заканчивается состоянием «Да» (положительный диагноз); если хотя бы один индикатор не обнаружен — состоянием «Нет».

Ранее группа Шапиро показала, что этот компьютер может обнаруживать индикаторы заболеваний по уровням экспрессии mRNA и мутациям. В текущем исследовании учёные расширили возможности компьютера для обнаружения индикаторов также по miRNAs, белкам и малым молекулам, таким как ATP. При этом метод обнаружения стал проще, требуя меньше компонентов и меньше взаимодействий с индикаторами заболеваний.

Обнаружение комбинации нескольких индикаторов гораздо полезнее, чем одного, поскольку обеспечивает лучшую точность и чувствительность к различиям между заболеваниями. Например, в случае рака щитовидной железы присутствие белка тиреоглобулина и гормона кальцитонина позволяет поставить гораздо более надёжный диагноз, чем при обнаружении только одного из этих индикаторов.

Хотя способность обнаруживать несколько индикаторов — важный шаг к биомолекулярным компьютерам in vivo и программируемым лекарствам, исследователям ещё предстоит преодолеть множество препятствий. Главная задача — работа таких устройств в живых средах, таких как кровоток или цитоплазма клетки. В настоящее время разрабатываются устройства, которые полагаются на более простые механизмы или на собственную машинерию клетки.