Diminutas computadoras biológicas hechas de ADN podrían revolucionar la forma en que diagnosticamos y tratamos una gran cantidad de enfermedades, una vez que la tecnología esté completamente desarrollada. Sin embargo, un gran obstáculo para estos dispositivos basados en ADN, que pueden operar tanto en células como en líquidossoluciones, ha sido lo cortas que son. Solo un uso y las computadoras están gastadas.
Ahora, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST pueden haber desarrollado computadoras biológicas de larga duración que podrían persistir dentro de las células. En un artículo publicado en la revista Science Advances, los autores renuncian al enfoque tradicional basado en el ADN.", optando en su lugar por usar el ácido nucleico ARN para construir computadoras. Los resultados demuestran que los circuitos de ARN son tan confiables y versátiles como sus contrapartes basadas en ADN. Además, las células vivas pueden ser capaces de crear estos circuitos de ARN continuamente, algo que esno es fácilmente posible con los circuitos de ADN, posicionando aún más al ARN como un candidato prometedor para computadoras biológicas poderosas y duraderas.
Al igual que la computadora o el dispositivo inteligente en el que probablemente esté leyendo esto, las computadoras biológicas pueden programarse para realizar diferentes tipos de tareas.
"La diferencia es que, en lugar de codificar con unos y ceros, escribe cadenas de A, T, C y G, que son las cuatro bases químicas que forman el ADN", dijo Samuel Schaffter, investigador postdoctoral del NIST y autor principal deel estudio.
Al ensamblar una secuencia específica de bases en una hebra de ácido nucleico, los investigadores pueden dictar a qué se une. Una hebra podría diseñarse para unirse a fragmentos específicos de ADN, ARN o algunas proteínas asociadas con una enfermedad, y luego desencadenar reacciones químicascon otros hilos en el mismo circuito para procesar información química y eventualmente producir algún tipo de salida útil.
Esa salida podría ser una señal detectable que podría ayudar en el diagnóstico médico, o podría ser un fármaco terapéutico para tratar una enfermedad.
Sin embargo, el ADN no es el material más resistente y puede desmoronarse rápidamente en ciertas condiciones. Las células pueden ser entornos hostiles, ya que a menudo contienen proteínas que cortan los ácidos nucleicos. E incluso si las secuencias de ADN permanecen lo suficiente como para detectar su objetivo,los enlaces químicos que forman los vuelven inútiles después.
"No pueden hacer cosas como monitorear continuamente los patrones en la expresión génica. Son de un solo uso, lo que significa que solo le brindan una instantánea", dijo Schaffter.
Al ser también un ácido nucleico, el ARN comparte muchos de los problemas del ADN cuando se trata de ser un bloque de construcción de computadoras biológicas. Es susceptible a una degradación rápida, y después de que una hebra se une químicamente a una molécula objetivo, esa hebra está terminada. PeroA diferencia del ADN, el ARN podría ser un recurso renovable en las condiciones adecuadas Para aprovechar esa ventaja, Schaffter y sus colegas primero tenían que demostrar que los circuitos de ARN, que las células teóricamente podrían producir, podrían funcionar tan bien como los circuitos basados en ADN.tipo.
La ventaja del ARN sobre el ADN proviene de un proceso celular natural llamado transcripción, en el que las proteínas producen ARN de manera continua usando el ADN de una célula como plantilla. Si el ADN en el genoma de una célula codifica los componentes del circuito en una computadora biológica, entonces elcell produciría los componentes de la computadora continuamente.
En el proceso de computación biológica, las hebras individuales de ácidos nucleicos en un circuito pueden terminar fácilmente unidas a otras hebras en el mismo circuito, un efecto no deseado que evita que los componentes del circuito se unan a sus objetivos previstos. El diseño de estos circuitos a menudo significaque los diferentes componentes encajarán de forma natural entre sí.
Para evitar la unión no deseada, las secuencias de ADN que forman parte de las computadoras conocidas como circuitos de desplazamiento de cadena generalmente se sintetizan en máquinas en lugar de células por separado y en forma de cadena doble. Con cada base química en cada cadena unida a una base enel otro, esta doble hebra actúa como una puerta cerrada que solo se desbloquearía si la secuencia objetivo apareciera y tomara el lugar de una de las hebras.
Schaffter y Elizabeth Strychalski, líder del Grupo de Ingeniería Celular del NIST y coautora del estudio, intentaron imitar esta función de "puerta bloqueada" en su circuito de ARN, teniendo en cuenta que, en última instancia, las células tendrían que producir estas puertas bloqueadasPara preparar las células para el éxito, los investigadores escribieron las secuencias de modo que la mitad de las hebras pudieran unirse al ras con la otra mitad. Al unirse de esta manera, las secuencias de ARN se doblarían sobre sí mismas como un panecillo para perros calientes, asegurándose de que estén en una posición cerrada.estado.
Pero para funcionar correctamente, las puertas tendrían que ser de dos hebras químicamente unidas pero distintas, más parecidas a un pan de hamburguesa o a un sándwich que a un pan de perrito caliente. El equipo obtuvo el diseño de doble cadena en sus puertas mediante la codificación en un tramo de ARNllamada ribozima cerca del punto de plegamiento de las puertas. Esta ribozima en particular, tomada del genoma de un virus de la hepatitis, se cortaría a sí misma después de que la cadena de ARN en la que estaba incrustada se doblara, creando dos cadenas separadas.
Los autores probaron si sus circuitos podían realizar operaciones lógicas básicas, como desbloquear sus puertas solo en escenarios específicos, como si una de dos secuencias específicas de ARN estuviera presente o solo si ambas estuvieran al mismo tiempo. También construyeron y examinaron circuitoshecho de varias puertas que realizaban diferentes operaciones lógicas en serie. Solo cuando estos circuitos encontraban la combinación correcta de secuencias, sus puertas se desbloqueaban una por una como fichas de dominó.
Los experimentos consistieron en exponer diferentes circuitos a fragmentos de ARN, a algunos de los cuales los circuitos fueron diseñados para adherirse, y medir la salida de los circuitos. En este caso, la salida al final de cada circuito era un fluorescentemolécula reportera que se iluminaría una vez que se desbloqueara la puerta final.
Los investigadores también rastrearon la velocidad a la que se abrieron las puertas a medida que los circuitos procesaban las entradas y compararon sus medidas con las predicciones de los modelos informáticos.
"Para mí, estos tenían que funcionar en un tubo de ensayo de manera tan predictiva como la computación de ADN. Lo bueno de los circuitos de ADN es que la mayoría de las veces, puedes simplemente escribir una secuencia en una hoja de papel y funcionaráde la manera que usted quiera", dijo Schaffter. "La clave aquí es que descubrimos que los circuitos de ARN eran muy predecibles y programables, mucho más de lo que pensé que serían, en realidad".
Las similitudes en el rendimiento entre los circuitos de ADN y ARN podrían indicar que puede ser beneficioso cambiar a este último, ya que el ARN se puede transcribir para reponer los componentes de un circuito. Y muchos circuitos de ADN existentes que los investigadores ya han desarrollado para realizar diversas tareas podríanteóricamente se cambiarán por versiones de ARN y se comportarán de la misma manera. Sin embargo, para estar seguros, los autores del estudio necesitan impulsar la tecnología más allá.
En este estudio, los autores demostraron que los circuitos transcribibles funcionan, pero aún no los han producido usando la maquinaria celular real de transcripción. En cambio, las máquinas sintetizaron los ácidos nucleicos a través de un proceso similar al que se usa para producir ADN para la investigación. Tomandoel siguiente paso requeriría insertar ADN en el genoma de un organismo, donde serviría como modelo para los componentes del circuito de ARN.
"Estamos interesados en colocarlos en bacterias a continuación. Queremos saber: ¿Podemos empaquetar diseños de circuitos en material genético utilizando nuestra estrategia? ¿Podemos obtener el mismo tipo de rendimiento y comportamiento cuando los circuitos están dentro de las células?" Schaffterdijo. "Tenemos el potencial para hacerlo".
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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