Uz DNS balstīta molekulārā skaitļošana pavērs ceļu programmējamām tabletēm

Tablešu attēls Rawpixel | Atbrīvojieties no šļakatām

Zinātnieki jau sen ir zinājuši, ka dzīvās šūnas izmanto sarežģītu signālu sistēmu, lai uztvertu savu vidi un pārraidītu šo informāciju iekšēji un saviem kaimiņiem. Konkrētas signalizācijas molekulas, to koncentrācija un veids, kā tas laika gaitā mainās, ir daži no faktoriem, kas nonāk šajā sistēmā.

Lai gan principā tā ir vienkārša, sistēma izrādās ārkārtīgi spēcīga un sarežģīta. Tāpēc to ir grūti atšifrēt. Viena no problēmām ir grūtības pamanīt signalizācijas molekulas un izmērīt to koncentrācijas izmaiņas.

Piemēram, ja gamma starojums bojā zīdītāju šūnas, tas izraisa proteīna, ko sauc par kodola p53, izdalīšanos. Tas izdalās daudzos ātros impulsos, kas ir signāls, kas liek šūnai apturēt darbību, lai pārbaudītu bojājumus (process, ko sauc par šūnu cikla apstāšanos).

Tomēr UV starojums izraisa ilgāku vienu impulsu, kas nekavējoties izraisa šūnu nāvi. Taču kopējais atbrīvotā p53 daudzums abos gadījumos var būt vienāds.

Mūsdienu molekulārie sensori nevar pamanīt šo atšķirību. Tas ir gluži kā radio pārraides klausīšanās ar Morzes ābeces uztvērēju — jūs varat noteikt, vai raidītājs darbojas, bet ne to, ko tas pārraida.

Tāpēc biologiem ļoti nepieciešams labāks veids, kā izmērīt šos molekulāros signālus.

Ienāc Džeksons O'Braiens un Arvinds Murugans Čikāgas Universitātē. Šie puiši ir izstrādājuši veidu, kā izmērīt molekulāro signālu izmaiņas, izmantojot spēcīgu molekulāro skaitļošanas veidu. Viņi saka, ka viņu pieeja rada pamatelementus jaunam šūnu signalizācijas izpētes un izmantošanas veidam: mūsu darbs ir pamats temporālai modeļa atpazīšanai, izmantojot analogo molekulāro aprēķinu.

Jaunā O'Braiena un Murugana darba tehnoloģija ir DNS skaitļošanas veids, uz kuru sintētiskie biologi ir lielas cerības. Process ir balstīts uz veidu, kā viens vienas virknes DNS gabals var izspiest otru divvirknes DNS, un šo metodi var precīzi kontrolēt, izmantojot labi izstrādātus rīkus.

Šie rīki var precīzi kontrolēt šo pārvietošanas virkņu reakciju ātrumu un atgriezeniskumu daudzos apmēros. Tādējādi tiek radīta slēdžiem līdzīga darbība — reakcija ir ieslēgta vai izslēgta. Un vairāku dažādu slēdžu apvienošana padara iespējamas loģiskās darbības.

Tas, savukārt, paver ceļu visu veidu skaitļošanas uzdevumiem. Pētnieki ir parādījuši, kā pārvietošanas virkņu reakcijas var veikt sarežģītus aprēķinus un pat atdarināt dziļas mācīšanās tīklu uzvedību.

O'Braiena un Murugana ieguldījums ir ieskicēt DNS shēmas, kas var sajust konkrētu signālu klātbūtni un veidu, kā tie laika gaitā mainās.

Pulsējošie signāli atšķiras vairākos veidos. Impulsu periods - intervāls starp tiem - var mainīties. Katra impulsa garums var atšķirties — piemēram, impulsi ar vienādu periodu var būt īsi vai gari. To sauc par darba daļu — laika daļu, kurā impulss ir ieslēgts. Un, protams, impulsu skaits var mainīties.

Svarīgi, ka kopējais signāla apjoms var būt vienāds pat tad, ja periods, noslodzes daļa un impulsu skaits krasi atšķiras.

Jaunais darbs ir izstrādāt molekulāro iekārtu, kas var izmērīt katru no šīm pazīmēm atsevišķi un neatkarīgi. Mēs demonstrējam katras no šīm pagaidu funkcijām dekodētāju pa vienam, teiksim O'Braiens un Murugans.

Un rezultāti izskatās daudzsološi. Pētnieki ir simulējuši savu ķēžu uzvedību un saka, ka tās darbojas labi: mēs demonstrējam savus projektēšanas principus, izmantojot abstraktus ķīmisko reakciju tīklus un ar skaidru DNS virkņu pārvietošanas reakciju simulāciju.

Protams, priekšā ir izaicinājumi. Ķēdes var meklēt iepriekš noteiktas izmaiņas molekulārajos signālos, taču būtu noderīga lielāka elastība. Būtu interesanti izstrādāt molekulārās shēmas, kas varētu dinamiski apgūt attiecīgās laika iezīmes, tāpat kā mašīnmācīšanās pieejās, iesaka pētnieki.

Un shēma vēl nemēra signāla amplitūdas izmaiņas, kas var būt vēl viena svarīga iezīme.

Turklāt nākamais posms ir šīs shēmas izveide un ieviešana praksē. Tas, protams, ir pastāvīgs izaicinājums sintētiskajiem biologiem kopumā. Šķiet, ka pagātnes panākumi liecina, ka pētnieki ar prasmēm, kas aptver mitrās/sausās laboratorijas sadalījumu, ir guvuši vislielākos panākumus, jo viņi var ātri pāriet, lai pārbaudītu jaunas idejas.

Atlīdzībai vajadzētu būt milzīgai. O'Braiens un Murugans spekulē, ka viņu molekulārajam datoram varētu būt dramatiski pielietojumi. Viņi iedomājas DNS origami tableti, kas piegādā zāles tikai tad, kad tā saņem noteiktu signālu modeli.

Piemēram, šūnas iekaisuma reakcija un tās adaptīvā imūnreakcija izraisa dažādus transkripcijas faktora NFkB signālu modeļus. Tableti var ieprogrammēt tā, lai tā atpazītu tikai vienu no tām un attiecīgi atbrīvotu tās lietderīgo slodzi.

Tas var būt kaut kādā veidā. Tomēr DNS pārvietošanas virknes loģika ir aizraujoša tehnoloģija ar milzīgu potenciālu.

Atsauce: arxiv.org/abs/1810.02883 : laika modeļa atpazīšana, izmantojot analogo molekulāro aprēķinu

paslēpties