Молекулярная биомиметика: ядро клетки как модель для ДНК-компьютерных чипов
В ядре клетки человека диаметром около 10 микрометров упакована двухметровая нить ДНК с примерно 20 000 генов. Это сопоставимо с 40-километровой нитью, упакованной в футбольный мяч. Несмотря на стеснённое пространство, стволовые клетки находят и активируют нужные гены за считанные минуты. Точная активация критически важна, так как ошибки могут привести к болезни или гибели клетки.
Исследования учёных KIT показали, что быструю и точную активацию правильных генов обеспечивают биомолекулярные конденсаты. «Это крошечные капли, которые образуются в определённых местах на ДНК — подобно каплям на зеркале в ванной — и ведут себя как масло в воде, — говорит профессор Леннарт Хильберт из Института биологических и химических систем (IBCS). — Они содержат молекулярные машины, то есть набор определённых молекул, необходимых для активации генов».
Этот процесс напоминает ключевой принцип компьютерных наук, лежащий в основе современных компьютеров и смартфонов: архитектуру фон Неймана. В ней один процессор может очень быстро подключаться к одному адресу в большой памяти (RAM). Исследователи хотят применить этот принцип к искусственным ДНК-компьютерным чипам для управления биотехнологическими и биомедицинскими приложениями.
Работа опубликована в журнале Annals of the New York Academy of Sciences.
Поверхности, которые вычисляют
«Чтобы воспроизвести такие биомолекулярные конденсаты — вычислительные центры клеточных ядер — и создать искусственные ДНК-наноструктуры для чипов, мы сочетаем традиционные лабораторные эксперименты с современным компьютерным моделированием. Используя цифровые модели ДНК-наноструктур, мы можем понять и даже предсказать поведение конденсатов», — говорит Моны Велльхойссер, аспирант IBCS и соавтор статьи.
Учёные моделируют систему, в которой ферменты работают как маленькие машины и выполняют конкретные задачи, например, вычисления. Чтобы доставить эти ферменты в нужное место на ДНК, они используют поверхностную конденсацию, при которой ферменты самостоятельно накапливаются в определённых местах на ДНК — именно там, где они нужны. Если в симуляции идентифицируются подходящие кандидаты, их синтезируют в лаборатории и изучают в пробирках.
«Это значительно ускоряет исследовательский процесс, поскольку компьютерное моделирование требует гораздо меньше времени, чем лабораторные эксперименты, — отмечает Хильберт. — Пока мы можем получить доступ только к одному адресу. Но наше исследование прокладывает путь к разработке более комплексной адресной системы и совершенно новых ДНК-систем хранения и вычислений, архитектура которых смоделирована по образцу природы».
Учёные указывают, что потенциал программируемых ДНК и РНК биотехнологий уже демонстрируют мРНК-вакцина от коронавируса и недавняя успешная персонализированная «программируемая» генная терапия. Ещё одно перспективное направление — «ДНК-чипы» для интеллектуального управления терапией рака. Они могли бы перепрограммировать иммунные клетки, чтобы те активировались при встрече с раковыми клетками.