Med hjälp av nukleinsyrasträngar, forskare har visat grundläggande beräkningsoperationer inuti en levande däggdjurscell. Forskningen kan leda till ett artificiellt avkänningssystem som kan kontrollera en cells beteende som svar på sådana stimuli som förekomsten av toxiner eller utvecklingen av cancer.

Forskningen använder DNA-strängförskjutning, en teknik som har använts i stor utsträckning utanför celler för design av molekylära kretsar, motorer och sensorer. Forskare modifierade processen för att tillhandahålla både "OCH" och "ELLER" logiska grindar som kan fungera inuti de levande cellerna och interagera med naturligt budbärar-RNA (mRNA).

De verktyg de utvecklade skulle kunna ge en grund för biodatorer som kan känna av, analysera och modulera molekylär information på cellnivå. Stöds av Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) och National Science Foundation (NSF), forskningen rapporterades den 21 december i tidskriften Naturens nanoteknik .

"Hela idén är att kunna ta logiken som används i datorer och porta in den logiken i cellerna själva, sa Philip Santangelo, en docent vid Wallace H. Coulters avdelning för biomedicinsk teknik vid Georgia Tech och Emory University. "Dessa enheter kan känna av ett avvikande RNA, till exempel, och sedan stänga av cellulär translation eller inducera celldöd."

Strängförskjutningsreaktioner är den biologiska motsvarigheten till de switchar eller grindar som utgör grunden för kiselbaserad beräkning. De kan programmeras att slås på eller av som svar på externa stimuli såsom en molekyl. En "OCH"-grind, till exempel, skulle byta när båda villkoren var uppfyllda, medan en "ELLER"-grind skulle växla när något av villkoren var uppfyllda.

I de switchar som forskarna använde, en fluoroforreportermolekyl och dess komplementära släckningsmolekyl placerades sida vid sida för att skapa ett "av"-läge. Bindning av RNA i en av strängarna ersatte sedan en del av nukleinsyran, separera molekylerna och tillåta generering av en signal som skapade ett "på"-läge. Två "på"-lägen på intilliggande nukleinsyrasträngar skapade en "OCH"-grind.

"Att demonstrera individuella logiska grindar är bara ett första steg, sade Georg Seelig, biträdande professor i datavetenskap och teknik och elektroteknik vid University of Washington. "På längre sikt, vi vill utöka denna teknik för att skapa kretsar med många ingångar, som de vi har konstruerat i cellfria miljöer."

Forskarna använde ligander utformade för att binda till specifika delar av nukleinsyrasträngarna, som kan skapas efter önskemål och produceras av kommersiella leverantörer.

"Vi kände av molekyler och visade att vi kunde svara på dem, " sa Santangelo. "Vi visade att vi kunde använda inhemska molekyler i cellen som en del av kretsen, även om vi inte har kunnat kontrollera en cell ännu."

Att få grundläggande datoroperationer att fungera inuti celler var ingen lätt uppgift, och forskningen tog ett antal år att genomföra. Bland utmaningarna var att få in enheterna i cellerna utan att utlösa switcharna, ger drift tillräckligt snabbt för att vara användbar, och inte döda de mänskliga cellinjerna som forskare använde i labbet.

"Vi var tvungna att kemiskt ändra sonderna för att få dem att arbeta inuti cellen och för att göra dem tillräckligt stabila inuti cellerna, " sa Santangelo. "Vi fann att dessa strängförskjutningsreaktioner kan vara långsamma i cytosolen, så för att få dem att arbeta snabbare, vi byggde ställningar på budbärar-RNA:t som gjorde det möjligt för oss att förstärka effekterna."

Nukleinsyradatorerna fungerade till slut som önskat, och nästa steg är att använda deras växling för att utlösa produktionen av signalkemikalier som skulle framkalla den önskade reaktionen från cellerna. Cellulär aktivitet styrs normalt av produktionen av proteiner, så nukleinsyraomkopplarna måste ges förmågan att producera tillräckligt med signalmolekyler för att inducera en förändring.

"Vi måste generera tillräckligt med vilken slutsignal som behövs för att få cellen att reagera, ", förklarade Santangelo. "Det finns amplifieringsmetoder som används i strängförskjutningsteknologi, men ingen av dem har hittills använts i levande celler."

Även utan det sista steget, forskarna känner att de har byggt en grund som kan användas för att nå målet.

"Vi kunde designa några av de grundläggande logiska konstruktionerna som kunde användas som byggstenar för framtida arbete, ", sa Santangelo. "Vi känner till koncentrationerna av kemikalier och designkraven för enskilda komponenter, så vi kan nu börja sätta ihop en mer komplicerad uppsättning kretsar och komponenter."

Celler, självklart, vet redan hur man känner av giftiga molekyler och utvecklingen av maligna tendenser, och sedan vidta åtgärder. Men dessa skyddsåtgärder kan stängas av av virus eller cancerceller som vet hur man kringgår naturliga cellulära processer.

"Vår mekanism skulle bara hjälpa cellerna att göra detta, "Santangelo sa. "Tanken är att lägga till det befintliga maskineriet för att ge cellerna utökade möjligheter."

Att tillämpa en ingenjörsstrategi på den biologiska världen skiljer detta exempel från andra ansträngningar för att kontrollera cellulära maskiner.

"Vad som gör DNA-strängförskjutningskretsar unika är att alla komponenter är helt rationellt utformade på nivån av DNA-sekvensen, ", sade Seelig. "Detta gör verkligen denna teknik idealisk för en ingenjörskonst. I kontrast, många andra tillvägagångssätt för att kontrollera det cellulära maskineriet förlitar sig på komponenter som är lånade från biologin och som inte är helt förstådda."