L'espressione genica è un elemento fondamentale della vita, dove ogni cellula attiva e disattiva geni specifici. Così, un dispositivo autonomo in grado di controllare l'accensione e lo spegnimento avrebbe un grande valore nelle cure mediche.

I circuiti genetici sintetici sono una tecnologia per controllare l'espressione genica e programmare le cellule per svolgere le funzioni desiderate. Perciò, aumentare la complessità del circuito genetico ci consentirà di controllare i destini cellulari in modo più accurato.

Però, la complessità dei circuiti genetici rimane bassa. Questo è perché, nei sistemi convenzionali di reazione-diffusione, gli enzimi e i substrati sono forniti separatamente, e il legame non specifico degli enzimi ai substrati provoca diafonia non intenzionale tra i diversi circuiti.

Ricercatori guidati dall'Università di Osaka, in un progetto di ricerca congiunto con l'Università di Tokyo, Università di Kyoto, e Waseda University, costruito chip logici genetici integrati chiamati "nanochip genici". Utilizzando fattori integrati sui nanochip, questi nanochip autonomi possono attivare e disattivare i geni all'interno di un singolo chip, prevenire interferenze indesiderate.

I ricercatori hanno mostrato le risposte autonome dei nanochip nelle cellule artificiali:rilevamento ambientale, calcolo delle informazioni e output del prodotto a livello di singolo chip. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati in Nanotecnologia della natura .

La nanotecnologia del DNA è un metodo versatile utilizzato per costruire strutture personalizzate e per controllare precisi layout molecolari. I ricercatori hanno utilizzato un foglio rettangolare (largo 90 nm, 60 nm di profondità, 2 nm di altezza), ed enzima integrato, RNA polimerasi (RNAP, un enzima che sintetizza l'RNA da uno stampo di DNA), e substrati multipli del gene bersaglio.

La capacità di nano-disposizione della nanotecnologia del DNA consente al ricercatore di progettare razionalmente i livelli di espressione genica modificando le distanze intermolecolari tra l'enzima e i geni bersaglio, influenzando così l'efficienza della collisione e la successiva reazione.

I ricercatori hanno ulteriormente integrato i sensori. Idealmente, un sensore in grado di rilevare qualsiasi tipo di segnale dovrebbe avere limitazioni di progettazione minime. Però, metodi convenzionali hanno sofferto di diverse limitazioni (ad es. materiali). Questo è perché, nei circuiti genetici convenzionali, il sensore fa parte del substrato dell'enzima (ad es. DNA in trascrizione; vedi Nota per i dettagli).

Al contrario, in questo studio, la parte del sensore era indipendente dalla reazione enzimatica. Così, i ricercatori possono utilizzare qualsiasi materiale del sensore che modifica la distanza intermolecolare effettiva sul riconoscimento del segnale, permettendo la costruzione di vari sensori che rispondono a segnali distinti (microRNA, composti chimici, proteine ​​e luce). Inoltre, combinando e integrando sensori che rispondono a segnali distinti, i ricercatori sono riusciti a foto-riprogrammare i circuiti genetici.

Finalmente, il nanochip ha permesso ai ricercatori di semplificare la costruzione di un circuito genetico che rispondesse a una cellula artificiale, una goccia d'acqua nell'olio, e potrebbero calcolare il suo profilo di miRNA, semplicemente mescolando i trucioli ortogonali, espandere il potere del circuito genetico.

L'autore corrispondente Hisashi Tadakuma afferma:"Tutti i fattori necessari per le reazioni di trascrizione sono su questo nanochip integrato, così il rilevamento ambientale, calcolo delle informazioni, e l'output del prodotto può essere completato a livello di singolo chip. Nel futuro prossimo, i nanochip autonomi saranno utili nel mantenere la cellula in uno stato sano attraverso il controllo dell'espressione genica spazialmente e temporalmente, che incarnerà l'ideale del detto 'la prevenzione è la migliore cura'. "

Idealmente, un sensore in grado di rilevare qualsiasi tipo di segnale dovrebbe avere limitazioni di progettazione minime. Però, metodi convenzionali hanno sofferto di diverse limitazioni (ad es. materiali). Questo è perché, nei circuiti genetici convenzionali, l'efficienza del legame tra un enzima come RNAP (chiave) e un gene bersaglio (blocco bersaglio), in particolare una sequenza promotrice sulla molecola di DNA, è controllato da fattori di trascrizione (regolatori). Poiché i regolatori e gli enzimi dovrebbero legarsi al sensore (regione dell'operatore) vicino al blocco del bersaglio, il materiale del sensore deve essere un substrato dei regolatori e degli enzimi (ad es. DNA in trascrizione), e il regolatore dovrebbe essere una proteina legante il DNA. Così, sia il regolatore (segnale) che il sensore hanno limitazioni materiali.

Però, in questo studio, la frequenza di legame e la successiva reazione sono controllate da (1) la distanza intermolecolare tra un enzima e un gene bersaglio, e (2) le caratteristiche della catena chiave (ad es. rigidità, lunghezza). Quindi la parte del sensore è indipendente dalla reazione enzimatica, e il sensore e i regolatori non hanno limitazioni materiali, permettendo ai vari sensori di rispondere a segnali distinti (composti chimici, proteine ​​e luce).