Новый метод биологических вычислений использует ферменты как катализаторы для ДНК-вычислений

Биологические вычисления (биокомпьютинг) могут революционизировать медицину и компьютерные технологии — от ранней диагностики и внутреннего лечения болезней до футуристических приложений, таких как улучшение человеческой памяти.

Традиционные компьютерные аппаратные средства плохо совместимы с живыми тканями, что ограничивает развитие медицинских имплантатов. Им требуются постоянное электропитание, они могут вызывать рубцевание мягких тканей и не способны к самовосстановлению, как живые организмы. Использование биологических молекул, таких как ДНК или белки, в биокомпьютинге может преодолеть эти ограничения.

Обычно биологические вычисления проводятся либо с использованием живых клеток, либо неживых молекул без ферментов. Живые клетки могут питаться и восстанавливаться, но их сложно перенаправить от обычных функций к вычислениям. Неживые молекулы решают некоторые проблемы живых клеток, но имеют слабый выходной сигнал, и их трудно точно настраивать и регулировать.

В новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, команда из Университета Миннесоты разработала платформу для третьего метода биокомпьютинга: Trumpet (Transcriptional RNA Universal Multi-Purpose GatE PlaTform).

Trumpet использует биологические ферменты в качестве катализаторов для молекулярных вычислений на основе ДНК. Исследователи выполнили логические операции (как в обычных компьютерах) в пробирках с молекулами ДНК. Положительное соединение логического элемента приводило к фосфоресцентному свечению. ДНК создает цепь, а флуоресцентное РНК-соединение загорается при её замыкании — подобно лампочке при тестировании платы.

Команда продемонстрировала, что:

• Платформа Trumpet сочетает простоту молекулярных вычислений с усилением сигнала и программируемостью.
• Платформа надежно кодирует все универсальные булевы логические элементы (NAND, NOT, NOR, AND, OR), которые являются основой языков программирования.
• Логические элементы можно объединять для построения более сложных схем.

Также команда разработала веб-инструмент для облегчения проектирования последовательностей для платформы Trumpet.

"Trumpet — это неживая молекулярная платформа, поэтому у нас нет большинства проблем клеточной инженерии, — сказала соавтор Кейт Адамала. — Нам не нужно преодолевать эволюционные ограничения, заставляя клетки делать то, чего они не хотят. Это также обеспечивает Trumpet большую стабильность и надежность, а наши логические элементы избегают проблем утечки, свойственных операциям с живыми клетками".

Хотя Trumpet находится на ранних экспериментальных стадиях, у неё огромный потенциал. "Это может сделать возможными многие долгосрочные нейронные имплантаты. Применение может варьироваться от строго медицинского, например, восстановления поврежденных нервных связей или управления протезами, до более футуристических — для развлечений, обучения или улучшения памяти", — сказала Адамала.

Ведущий автор, аспирантка Джуди Шарон, использует Trumpet для разработки биомедицинских приложений для ранней диагностики рака. Другое возможное применение — "тераностика" — комбинация медицинской диагностики и терапии внутри организма. Например, биологическая схема могла бы обнаружить низкий уровень инсулина у пациента с диабетом и активировать белки для производства необходимого инсулина. Такое устройство могло бы быть достаточно маленьким, чтобы циркулировать в кровотоке пациента.