Utilizzando filamenti di acido nucleico, gli scienziati hanno dimostrato operazioni informatiche di base all'interno di una cellula di mammifero vivente. La ricerca potrebbe portare a un sistema di rilevamento artificiale in grado di controllare il comportamento di una cellula in risposta a stimoli come la presenza di tossine o lo sviluppo del cancro.

La ricerca utilizza lo spostamento del filamento di DNA, una tecnologia che è stata ampiamente utilizzata al di fuori delle cellule per la progettazione di circuiti molecolari, motori e sensori. I ricercatori hanno modificato il processo per fornire porte logiche sia "AND" che "OR" in grado di operare all'interno delle cellule viventi e interagire con l'RNA messaggero nativo (mRNA).

Gli strumenti che hanno sviluppato potrebbero fornire una base per bio-computer in grado di rilevare, analizzare e modulare le informazioni molecolari a livello cellulare. Supportato dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e dalla National Science Foundation (NSF), la ricerca è stata riportata il 21 dicembre sulla rivista Nanotecnologia della natura .

"L'idea è di essere in grado di prendere la logica utilizzata nei computer e portarla nelle cellule stesse, " disse Filippo Santangelo, professore associato presso il dipartimento di ingegneria biomedica di Wallace H. Coulter presso la Georgia Tech e la Emory University. "Questi dispositivi potrebbero rilevare un RNA aberrante, ad esempio, e poi interrompono la traduzione cellulare o inducono la morte cellulare".

Le reazioni di spostamento dei filamenti sono l'equivalente biologico degli interruttori o delle porte che costituiscono la base per l'informatica basata sul silicio. Possono essere programmati per accendersi o spegnersi in risposta a stimoli esterni come una molecola. Un cancello "AND", Per esempio, cambierebbe quando entrambe le condizioni fossero soddisfatte, mentre un gate "OR" commuta quando una delle due condizioni è soddisfatta.

Negli interruttori utilizzati dai ricercatori, una molecola reporter di fluoroforo e la sua molecola di spegnimento complementare sono state poste fianco a fianco per creare una modalità "off". Il legame dell'RNA in uno dei filamenti ha quindi spostato una porzione di acido nucleico, separando le molecole e consentendo la generazione di un segnale che ha creato una modalità "on". Due modalità "on" su filamenti di acido nucleico adiacenti hanno creato una porta "AND".

"La dimostrazione delle singole porte logiche è solo un primo passo, " ha detto Georg Seelig, assistente professore di informatica e ingegneria e ingegneria elettrica presso l'Università di Washington. "A lungo termine, vogliamo espandere questa tecnologia per creare circuiti con molti ingressi, come quelli che abbiamo costruito in ambienti privi di celle".

I ricercatori hanno utilizzato ligandi progettati per legarsi a porzioni specifiche dei filamenti di acido nucleico, che possono essere creati a piacimento e prodotti da fornitori commerciali.

"Abbiamo percepito le molecole e mostrato che potevamo rispondere a loro, " ha detto Santangelo. "Abbiamo dimostrato che possiamo utilizzare molecole native nella cellula come parte del circuito, anche se non siamo ancora stati in grado di controllare una cellula."

Far funzionare le operazioni di elaborazione di base all'interno delle celle non è stato un compito facile, e la ricerca ha richiesto un certo numero di anni per essere completata. Tra le sfide c'erano inserire i dispositivi nelle celle senza attivare gli interruttori, fornendo un'operazione abbastanza rapida da essere utile, e non uccidere le linee cellulari umane che i ricercatori hanno utilizzato in laboratorio.

"Abbiamo dovuto cambiare chimicamente le sonde per farle funzionare all'interno della cellula e renderle abbastanza stabili all'interno delle cellule, " ha detto Santangelo. "Abbiamo scoperto che queste reazioni di spostamento del filamento possono essere lente all'interno del citosol, quindi per farli lavorare più velocemente, abbiamo costruito un'impalcatura sull'RNA messaggero che ci ha permesso di amplificare gli effetti".

I computer dell'acido nucleico alla fine hanno funzionato come desiderato, e il passo successivo è usare la loro commutazione per innescare la produzione di sostanze chimiche di segnalazione che indurrebbero la reazione desiderata dalle cellule. L'attività cellulare è normalmente controllata dalla produzione di proteine, quindi agli interruttori dell'acido nucleico dovrà essere data la capacità di produrre abbastanza molecole di segnalazione per indurre un cambiamento.

"Dobbiamo generare abbastanza del segnale finale necessario per far reagire la cellula, "Stangelo ha spiegato. "Ci sono metodi di amplificazione utilizzati nella tecnologia di spostamento del filo, ma nessuno di loro è stato usato finora nelle cellule viventi."

Anche senza quell'ultimo passaggio, i ricercatori sentono di aver costruito una base che può essere utilizzata per raggiungere l'obiettivo.

"Siamo stati in grado di progettare alcuni dei costrutti logici di base che potrebbero essere utilizzati come elementi costitutivi per il lavoro futuro, "Santangelo ha detto. "Conosciamo le concentrazioni di sostanze chimiche e i requisiti di progettazione per i singoli componenti, quindi ora possiamo iniziare a mettere insieme un insieme più complicato di circuiti e componenti".

cellule, Certo, sanno già percepire le molecole tossiche e lo sviluppo di tendenze maligne, e poi agire. Ma queste garanzie possono essere disattivate da virus o cellule cancerose che sanno come aggirare i processi cellulari naturali.

"Il nostro meccanismo darebbe solo una mano alle cellule in questo, "Santangelo ha detto. "L'idea è quella di aggiungere ai macchinari esistenti per dare alle cellule capacità avanzate".

L'applicazione di un approccio ingegneristico al mondo biologico distingue questo esempio da altri sforzi per controllare il macchinario cellulare.

"Ciò che rende unici i circuiti di spostamento del filamento di DNA è che tutti i componenti sono progettati in modo completamente razionale a livello della sequenza del DNA, " ha detto Seelig. "Questo rende davvero questa tecnologia ideale per un approccio ingegneristico. In contrasto, molti altri approcci al controllo del macchinario cellulare si basano su componenti presi in prestito dalla biologia e non completamente compresi".