Ускорение ДНК-вычислений с помощью жидких капель

Исследования показали, что разделение жидких фаз — подобное образованию капель масла в воде — приводит к формированию в живых клетках разнообразных безмембранных органелл, таких как стрессовые гранулы и ядрышки. Эти органеллы, также называемые биомолекулярными конденсатами, представляют собой жидкие капли, выполняющие специфические клеточные функции, включая регуляцию генов и реакцию на стресс.

Совместная исследовательская группа под руководством профессора Йонде Шина и До-Нюна Кима из Сеульского национального университета использовала уникальные свойства самоорганизующихся молекул ДНК для создания синтетических конденсатов с программируемым составом и функциональностью.

Исследователи разработали ДНК-каркасы с мотивами для самоассоциации и специфического рекрутирования целевых молекул ДНК. В определенном диапазоне концентрации соли и температуры инженерные ДНК-каркасы подвергались разделению жидких фаз, образуя плотные конденсаты, организованные очень похоже на те, что существуют в живых клетках. Синтетические ДНК-конденсаты могут рекрутировать специфические целевые молекулы ДНК, и исследователи показали, что степень рекрутирования можно точно задать на уровне последовательности ДНК.

Затем они наделили синтетические конденсаты функциональностью, используя в качестве целей компоненты для ДНК-вычислений. ДНК-вычисления широко используются в различных биоинженерных и медицинских приложениях благодаря своей внутренней способности к параллельным вычислениям.

Однако низкая скорость отдельных вычислительных процессов была их главным недостатком. Используя синтетические ДНК-конденсаты, команда Шина показала, что ДНК-вычисления, включая операции логических вентилей, резко ускоряются — более чем в десять раз — при связывании с конденсатами.

Архитектура ДНК-каркасов также позволила селективно рекрутировать определенные вычислительные операции среди множества других, выполняемых параллельно, что обеспечило новый механизм кинетического стробирования. Исследователи ожидают, что их система может быть широко применена к различным ДНК-схемам для диагностики заболеваний, биосенсорики и других передовых молекулярных вычислений.

Результаты этого исследования опубликованы в Science Advances.