Det tvärvetenskapliga sambandet mellan biologi och teknik, känd som syntetisk biologi, växer i snabb takt, öppnar nya vyer som knappt kunde tänkas för en kort tid sedan.

I ny forskning, Alex Green, professor vid ASU:s Biodesign Institute, visar hur levande celler kan induceras att utföra beräkningar på sätt som små robotar eller datorer.

Resultaten av den nya studien har betydande konsekvenser för intelligent läkemedelsdesign och smart läkemedelsleverans, grön energiproduktion, billiga diagnostiska tekniker och till och med utveckling av futuristiska nanomaskiner som kan jaga cancerceller eller stänga av avvikande gener.

"Vi använder mycket förutsägbara och programmerbara RNA-RNA-interaktioner för att definiera vad dessa kretsar kan göra, "säger Green." Det betyder att vi kan använda datorprogramvara för att designa RNA -sekvenser som beter sig som vi vill att de ska göra i en cell. Det gör designprocessen mycket snabbare. "

Studien visas i förhandens onlineutgåva av tidskriften Natur .

Designer RNA

Den beskrivna metoden använder kretsar sammansatta av ribonukleinsyra eller RNA. Dessa kretsdesigner, som liknar konventionella elektroniska kretsar, självmonteras i bakterieceller, låta dem känna av inkommande meddelanden och svara på dem genom att producera en viss beräkningseffekt, (I detta fall, ett protein).

I den nya studien, specialiserade kretsar som kallas logiska grindar designades i labbet, inkorporeras sedan i levande celler. De små kretsomkopplarna utlöses när meddelanden (i form av RNA -fragment) ansluter sig till sina kompletterande RNA -sekvenser i cellkretsen, aktivera logikporten och producera en önskad utgång.

RNA -switcharna kan kombineras på olika sätt för att producera mer komplexa logiska grindar som kan utvärdera och svara på flera ingångar, precis som en enkel dator kan ta flera variabler och utföra sekventiella operationer som addition och subtraktion för att nå ett slutligt resultat.

Den nya studien förbättrar dramatiskt den lätthet med vilken mobil datoranvändning kan utföras. Det enda RNA-tillvägagångssättet för att producera cellulära nanodatorer är ett betydande framsteg, eftersom tidigare insatser krävde användning av komplexa mellanhänder, som proteiner. Nu, nödvändiga ribokomputerande delar kan enkelt utformas på datorn. De enkla basparningsegenskaperna för RNA:s fyra nukleotidbokstäver (A, C, G och U) säkerställer förutsägbar självmontering och funktion av dessa delar i en levande cell.

Greens arbete inom detta område började vid Wyss Institute vid Harvard, där han hjälpte till att utveckla den centrala komponenten som används i cellkretsarna, känd som en RNA -tåhållare. Arbetet utfördes medan Green var postdoc och arbetade med nanoteknikexperten Peng Yin, tillsammans med de syntetiska biologerna James Collins och Pamela Silver, som alla är medförfattare till det nya papperet. "De första experimenten var 2012, "Grönt säger." I grunden tåhållarna fungerade så bra att vi ville hitta ett sätt att bäst utnyttja dem för mobilapplikationer. "

Efter ankomsten till ASU, Greens första gradstuderande Duo Ma arbetade med experiment på Biodesign Institute, medan en annan postdoc, Jongmin Kim fortsatte liknande arbete vid Wyss Institute. Båda är också medförfattare till den nya studien.

Naturens Pentium -chip

Möjligheten att använda DNA och RNA, livets molekyler, att utföra datorliknande beräkningar demonstrerades första gången 1994 av Leonard Adleman från University of Southern California. Sedan dess, snabba framsteg har avancerat området avsevärt, och nyligen, sådan molekylär beräkning har åstadkommits i levande celler. (Bakterieceller används vanligtvis för detta ändamål eftersom de är enklare och lättare att manipulera.)

Tekniken som beskrivs i det nya papperet drar fördel av det faktum att RNA, till skillnad från DNA, är enkelsträngad när den produceras i celler. Detta gör det möjligt för forskare att designa RNA -kretsar som kan aktiveras när en komplementär RNA -sträng binder med en exponerad RNA -sekvens i den utformade kretsen. Denna bindning av komplementära strängar är regelbunden och förutsägbar, med A -nukleotider som alltid parar med U och C alltid parar med G.

Med alla processelement i kretsen gjorda med RNA, som kan ta ett astronomiskt antal potentiella sekvenser, den verkliga kraften i den nyligen beskrivna metoden ligger i dess förmåga att utföra många operationer samtidigt. Denna kapacitet för parallellbehandling möjliggör snabbare och mer sofistikerad beräkning samtidigt som cellens begränsade resurser används effektivt.

Logiska resultat

I den nya studien, logiska grindar som kallas OCH, ELLER och INTE har utformats. En OCH -grind producerar en utsignal i cellen endast när två RNA -meddelanden A OCH B är närvarande. En ELLER -grind svarar på antingen A ELLER B, medan en NOT -grind blockerar utdata om en given RNA -ingång är närvarande. Att kombinera dessa portar kan producera komplex logik som kan svara på flera ingångar.

Med hjälp av RNA -tåhållare, forskarna producerade de första ribokomputeringsenheterna som har fyra ingångar OCH, sex-ingång ELLER och en 12-ingångsenhet som kan utföra en komplex kombination av OCH, ELLER och INTE logik som kallas disjunktiv normal formuttryck. När logikporten stöter på rätt RNA -bindningssekvenser som leder till aktivering, en tåhållare öppnas och processen för översättning till protein sker. Alla dessa kretsavkännande och utgående funktioner kan integreras i samma molekyl, gör systemen kompakta och enklare att implementera i en cell.

Forskningen representerar nästa fas av det pågående arbetet med de mycket mångsidiga RNA -tåhållarna. I tidigare arbeten, Green och hans kollegor visade att en billig, pappersbaserad uppsättning RNA-tåhållare kan fungera som en mycket exakt plattform för diagnos av Zika-viruset. Upptäckt av viralt RNA med matrisen aktiverade tåhållarna, utlöser produktion av ett protein, som registrerades som en färgförändring på matrisen.

Grundprincipen för att använda RNA-baserade enheter för att reglera proteinproduktion kan tillämpas på praktiskt taget alla RNA-ingångar, inleder en ny generation av exakta, lågkostnadsdiagnostik för ett brett spektrum av sjukdomar. Det cellfria tillvägagångssättet är särskilt lämpligt för nya hot och vid sjukdomsutbrott i utvecklingsländerna, där medicinska resurser och personal kan vara begränsade.

Datorn inuti

Enligt Green, nästa steg i forskningen kommer att fokusera på användningen av RNA-tåhållstekniken för att producera så kallade neurala nätverk i levande celler-kretsar som kan analysera en rad excitatoriska och hämmande ingångar, medelvärde för dem och producera en produktion när en viss aktivitetströskel har uppnåtts, ungefär som en neuron medelvärderar inkommande signaler från andra neuroner. I sista hand, forskare hoppas kunna få celler att kommunicera med varandra via programmerbara molekylära signaler, bildar ett verkligt interaktivt, hjärnliknande nätverk.

"Eftersom vi använder RNA, en universell molekyl av livet, vi vet att dessa interaktioner också kan fungera i andra celler, så vår metod ger en allmän strategi som kan överföras till andra organismer, "Green säger, anspelar på en framtid där mänskliga celler blir fullt programmerbara enheter med omfattande biologiska förmågor.