Вычислительные капли РНК: логические операции с помощью жидких конденсатов
Капли РНК теперь можно использовать для выполнения логических операций, где входными данными служат последовательности микроРНК. Ученые из Токийского технологического института показали, что молекулы РНК способны к самосборке в сетеподобные структуры, образуя жидкокристаллические капли. Эти капли РНК диспергируются (рассеиваются) только при наличии правильных последовательностей микроРНК, выполняя тем самым логическую операцию AND («И»). Эта инновационная стратегия может открыть путь к достижениям в области биомолекулярного сенсинга, создания искусственных клеток и вычислительных биологических устройств.
В то время как DNA droplets (капли ДНК) привлекают основное внимание в этой области, их аналоги из РНК могут быть не менее, а возможно и более мощными. РНК обладает более разнообразными функциями и может принимать более широкий спектр молекулярных структур. Однако потенциал RNA droplets как инструмента для биовычислений и био-нанотехнологий оставался малоизученным.
Исследователи, включая профессора Масахиро Такиноуэ и постдока Хиротакэ Удоно, разработали новый тип "computational RNA droplets" (вычислительных капель РНК), способных выполнять логические операции подобно электронным устройствам. Результаты опубликованы 3 июня в журнале ACS Nano.
Программируемые капли РНК создаются благодаря способности РНК к распознаванию последовательностей и формированию вторичной структуры. Основой подхода является kissing loop (KL) interaction (взаимодействие «целующихся петель»), которое происходит между двумя внутренне свернутыми одноцепочечными РНК. Это позволяет им самособираться в стабильные комплексные структуры.
Ученые сконструировали нуклеотидную последовательность цепей РНК таким образом, чтобы они спонтанно собирались в заданные молекулярные структуры, которые, в свою очередь, притягиваются друг к другу, образуя крупномасштабную сеть.
Управление фазовым состоянием капель РНК основано на механизме типа «ключ-замок», который может быть «открыт» только определенной последовательностью микроРНК. Сеть диссоциирует на цепочечные структуры только при одновременном присутствии двух заданных последовательностей микроРНК. Это вызывает заметное изменение фазы капель РНК: они становятся более диспергированными в растворе.
С точки зрения вычислений, предложенные капли РНК эффективно выполняют логическую операцию AND, принимая две последовательности микроРНК в качестве входных данных. Также возможно создание аналогичных капель РНК для других логических операций.
Эта универсальность может быть полезна в нескольких приложениях. Такиноуэ отмечает: «Наши вычислительные капли РНК могут быть применены для in situ программируемой сборки вычислительных биомолекулярных устройств и искусственных клеток из транскрибированной РНК внутри биологических или искусственных клеток».
Кроме того, эти капли РНК многообещающи в качестве удобных диагностических инструментов. Поскольку они могут обнаруживать присутствие специфических последовательностей РНК, их можно использовать для поиска биомаркеров заболеваний. «В отличие от ранее описанных субмикроскопических логических операторов на основе РНК, макроскопическое фазовое изменение наших капель РНК обеспечивает считывание для молекулярного сенсинга, которое можно различить невооруженным глазом», — говорит Такиноуэ.
В целом, это исследование подчеркивает двойную роль РНК как инструмента и строительного блока для универсальных биоинженерных устройств.