Ученые продемонстрировали основы нуклеиновых вычислений внутри клеток

Ученые использовали цепи нуклеиновых кислот для демонстрации базовых вычислительных операций внутри живой клетки млекопитающего. Это исследование может привести к созданию искусственной сенсорной системы, способной контролировать поведение клетки в ответ на такие стимулы, как наличие токсинов или развитие рака.

Метод: смещение цепи ДНК

Исследование использует технологию смещения цепи ДНК (DNA strand displacement), широко применяемую вне клеток для создания молекулярных схем, моторов и сенсоров. Ученые модифицировали процесс, чтобы получить логические элементы "И" (AND) и "ИЛИ" (OR), способные работать внутри живых клеток и взаимодействовать с нативной матричной РНК (mRNA).

Как работают переключатели

В основе переключателей — флуоресцентный репортерный молекула и её комплементарная гасящая молекула, расположенные рядом (режим "выключено"). Связывание РНК с одной из цепей смещает участок нуклеиновой кислоты, разделяя молекулы и позволяя генерировать сигнал (режим "включено"). Два режима "включено" на смежных цепях создают элемент "И".

Трудности и решения

Реализация внутри клеток была сложной задачей. Проблемы включали:

• Доставку устройств в клетки без преждевременной активации.
• Обеспечение достаточно быстрого отклика.
• Сохранение жизнеспособности человеческих клеточных линий. Ученые химически модифицировали зонды для стабильности внутри клеток и использовали "строительные леса" на mRNA для усиления эффектов и ускорения реакций в цитозоле.

Следующие шаги и перспективы

Следующий этап — заставить переключатели запускать выработку сигнальных молекул в количестве, достаточном для изменения поведения клетки (например, остановки трансляции или индукции гибели клетки). Пока эта задача не решена, но создан фундамент для сборки более сложных схем.

Ключевое преимущество подхода — его полная рациональная проектируемость на уровне последовательности ДНК, в отличие от методов, заимствующих не до конца понятные биологические компоненты. Такая система может дополнить естественные механизмы клетки, например, для борьбы с вирусами или раком, которые умеют их обходить.

Исследование поддержано DARPA и NSF и опубликовано 21 декабря в журнале Nature Nanotechnology.