Utilizando hebras de ácido nucleico, los científicos han demostrado operaciones informáticas básicas dentro de una célula de mamífero vivo. La investigación podría conducir a un sistema de detección artificial que podría controlar el comportamiento de una célula en respuesta a estímulos tales como la presencia de toxinas o el desarrollo de cáncer.
La investigación utiliza el desplazamiento de la cadena de ADN, una tecnología que se ha utilizado ampliamente fuera de las células para el diseño de circuitos moleculares, motores y sensores. Los investigadores modificaron el proceso para proporcionar puertas lógicas "Y" y "O" capaces de operar dentrolas células vivas e interactúan con el ARN mensajero nativo ARNm.
Las herramientas que desarrollaron podrían proporcionar una base para las biocomputadoras capaces de detectar, analizar y modular la información molecular a nivel celular. Con el apoyo de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa DARPA y la Fundación Nacional de Ciencias NSF, la investigaciónfue reportado el 21 de diciembre en la revista Nature Nanotechnology.
"La idea es poder llevar la lógica que se usa en las computadoras y convertir esa lógica en las células", dijo Philip Santangelo, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace H. Coulter de Georgia Tech and EmoryUniversidad ". Estos dispositivos podrían detectar un ARN aberrante, por ejemplo, y luego apagar la traducción celular o inducir la muerte celular".
Las reacciones de desplazamiento de cadena son el equivalente biológico de los interruptores o puertas que forman la base de la computación basada en silicio. Se pueden programar para que se enciendan o apaguen en respuesta a estímulos externos como una molécula. Una puerta "Y",por ejemplo, cambiaría cuando se cumplieran ambas condiciones, mientras que una puerta "OR" cambiaría cuando se cumpliera cualquiera de las condiciones.
En los interruptores que usaron los investigadores, una molécula informadora de fluoróforo y su molécula de enfriamiento complementaria se colocaron una al lado de la otra para crear un modo "apagado". La unión de ARN en una de las hebras desplazó una porción de ácido nucleico, separándoselas moléculas y permitiendo la generación de una señal que creó un modo "on". Dos modos "on" en las cadenas adyacentes de ácido nucleico crearon una puerta "AND".
"Demostrar puertas lógicas individuales es solo un primer paso", dijo Georg Seelig, profesor asistente de ciencias de la computación e ingeniería e ingeniería eléctrica en la Universidad de Washington. "A más largo plazo, queremos expandir esta tecnología para crear circuitos conmuchas entradas, como las que hemos construido en configuraciones sin celdas "
Los investigadores utilizaron ligandos diseñados para unirse a porciones específicas de las cadenas de ácido nucleico, que pueden ser creadas según lo deseado y producidas por proveedores comerciales.
"Detectamos moléculas y demostramos que podíamos responder a ellas", dijo Santangelo. "Mostramos que podíamos utilizar moléculas nativas en la célula como parte del circuito, aunque todavía no hemos podido controlar una célula."
Hacer que las operaciones informáticas básicas funcionen dentro de las células no fue una tarea fácil, y la investigación requirió varios años para lograrlo. Entre los desafíos estaba conseguir que los dispositivos ingresaran a las células sin activar los interruptores, proporcionando una operación lo suficientemente rápida como para ser útil, yno matar las líneas celulares humanas que los investigadores usaron en el laboratorio.
"Tuvimos que cambiar químicamente las sondas para que funcionen dentro de la célula y para que sean lo suficientemente estables dentro de las células", dijo Santangelo. "Encontramos que estas reacciones de desplazamiento de filamentos pueden ser lentas dentro del citosol, por lo que para obtenerpara que funcionen más rápido, construimos andamios en el ARN mensajero que nos permitió amplificar los efectos ".
Las computadoras de ácido nucleico finalmente funcionaron como se desea, y el siguiente paso es usar su conmutación para activar la producción de químicos de señalización que provocarían la reacción deseada de las células. La actividad celular normalmente se controla mediante la producción de proteínas, por lo queLos interruptores de ácido nucleico tendrán que tener la capacidad de producir suficientes moléculas de señalización para inducir un cambio.
"Necesitamos generar suficiente de la señal final necesaria para que la célula reaccione", explicó Santangelo. "Hay métodos de amplificación utilizados en la tecnología de desplazamiento de cadena, pero ninguno de ellos se ha utilizado hasta ahora en las células vivas".
Incluso sin ese paso final, los investigadores sienten que han construido una base que se puede utilizar para lograr el objetivo.
"Pudimos diseñar algunas de las construcciones lógicas básicas que podrían usarse como bloques de construcción para trabajos futuros", dijo Santangelo. "Conocemos las concentraciones de productos químicos y los requisitos de diseño para componentes individuales, por lo que ahora podemos comenzar a ponerjuntos un conjunto más complicado de circuitos y componentes "
Las células, por supuesto, ya saben cómo detectar moléculas tóxicas y el desarrollo de tendencias malignas, y luego tomar medidas. Pero esas salvaguardas pueden ser desactivadas por virus o células cancerosas que saben cómo sortear los procesos celulares naturales.
"Nuestro mecanismo simplemente ayudaría a las células a hacer esto", dijo Santangelo. "La idea es agregar a la maquinaria existente para dar a las células capacidades mejoradas".
La aplicación de un enfoque de ingeniería al mundo biológico distingue este ejemplo de otros esfuerzos para controlar la maquinaria celular.
"Lo que hace que los circuitos de desplazamiento de la cadena de ADN sean únicos es que todos los componentes están diseñados de manera completamente racional al nivel de la secuencia de ADN", dijo Seelig. "Esto realmente hace que esta tecnología sea ideal para un enfoque de ingeniería. En contraste, muchos otros enfoques para controlarla maquinaria celular depende de componentes que se toman prestados de la biología y que no se comprenden completamente ".
Más allá de los ya mencionados, el equipo de investigación incluyó a Benjamin Groves, Yuan-Jyue Chen y Sergii Pochekailov de la Universidad de Washington y Chiara Zurla y Jonathan Kirschman de Georgia Tech y Emory University.
Este material se basa en el trabajo respaldado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa DARPA bajo el contrato W911NF-11-2-0068 y por el premio CAREER 1253691 de la National Science Foundation. El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no necesariamenterepresentar las opiniones oficiales de DARPA o NSF.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Georgia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :