El nexo interdisciplinario de la biología y la ingeniería, conocido como biología sintética, está creciendo a un ritmo rápido, abriendo nuevas perspectivas que apenas se podían imaginar hace poco tiempo.
En una nueva investigación, Alex Green, profesor del Instituto de Biodiseño de ASU, demuestra cómo se puede inducir a las células vivas a realizar cálculos a la manera de pequeños robots o computadoras.
Los resultados del nuevo estudio tienen implicaciones significativas para el diseño inteligente de medicamentos y la administración inteligente de medicamentos, la producción de energía ecológica, las tecnologías de diagnóstico de bajo costo e incluso el desarrollo de nanomáquinas futuristas capaces de buscar células cancerosas o desactivar genes aberrantes.
"Estamos usando interacciones ARN-ARN muy predecibles y programables para definir lo que pueden hacer estos circuitos", dice Green. "Eso significa que podemos usar software de computadora para diseñar secuencias de ARN que se comporten de la manera que queremos en una célula". Hace que el proceso de diseño sea mucho más rápido ".
El estudio aparece en la edición en línea avanzada de la revista Naturaleza .
ARN de diseño
El enfoque descrito utiliza circuitos compuestos de ácido ribonucleico o ARN. Estos diseños de circuito, que se asemejan a los circuitos electrónicos convencionales, se autoensamblan en células bacterianas, lo que les permite detectar los mensajes entrantes y responder a ellos produciendo una salida computacional particular, eneste caso, una proteína.
En el nuevo estudio, los circuitos especializados conocidos como puertas lógicas se diseñaron en el laboratorio y luego se incorporaron a las células vivas. Los pequeños interruptores de circuito se disparan cuando los mensajes en forma de fragmentos de ARN se unen a sus secuencias de ARN complementarias en elcircuito celular, activando la puerta lógica y produciendo una salida deseada.
Los interruptores de ARN se pueden combinar de varias maneras para producir puertas lógicas más complejas capaces de evaluar y responder a múltiples entradas, así como una computadora simple puede tomar varias variables y realizar operaciones secuenciales como la suma y la resta para alcanzar un resultado final.
El nuevo estudio mejora drásticamente la facilidad con la que se puede llevar a cabo la computación celular. El enfoque de solo ARN para producir nanodispositivos celulares es un avance significativo, ya que los esfuerzos anteriores requerían el uso de intermediarios complejos, como proteínas. Ahora, la ribocomputación necesarialas partes se pueden diseñar fácilmente en la computadora. Las propiedades simples de emparejamiento de bases de las cuatro letras de nucleótidos del ARN A, C, G y U aseguran el autoensamblaje y el funcionamiento predecibles de estas partes dentro de una célula viva.
El trabajo de Green en esta área comenzó en el Instituto Wyss de Harvard, donde ayudó a desarrollar el componente central utilizado en los circuitos celulares, conocido como un interruptor de retención de ARN. El trabajo se llevó a cabo mientras Green era un doctorado que trabajaba con nanotecnologíaEl experto Peng Yin, junto con los biólogos sintéticos James Collins y Pamela Silver, coautores del nuevo artículo. "Los primeros experimentos fueron en 2012", dice Green. "Básicamente, los interruptores de pie funcionaron tan bien que queríamospara encontrar la forma de explotarlos mejor para aplicaciones celulares "
Después de llegar a ASU, el primer estudiante de posgrado de Green, Duo Ma, trabajó en experimentos en el Biodesign Institute, mientras que otro postdoc, Jongmin Kim continuó un trabajo similar en el Wyss Institute. Ambos también son coautores del nuevo estudio.
chip Pentium de la naturaleza
Leonard Adleman, de la Universidad del Sur de California, demostró por primera vez en 1994 la posibilidad de usar ADN y ARN, las moléculas de la vida, para realizar cálculos parecidos a una computadora. Desde entonces, el rápido progreso ha avanzado considerablemente en el campo, y recientemente,dicha computación molecular se ha logrado dentro de las células vivas las células bacterianas generalmente se emplean para este propósito, ya que son más simples y fáciles de manipular.
La técnica descrita en el nuevo artículo aprovecha el hecho de que el ARN, a diferencia del ADN, es monocatenario cuando se produce en las células. Esto permite a los investigadores diseñar circuitos de ARN que pueden activarse cuando una cadena complementaria de ARN se une con un objeto expuestoSecuencia de ARN en el circuito diseñado. Esta unión de cadenas complementarias es regular y predecible, con los nucleótidos A siempre emparejados con U y C siempre emparejándose con G.
Con todos los elementos de procesamiento del circuito hechos con ARN, que puede asumir un número astronómico de secuencias potenciales, el poder real del método recién descrito reside en su capacidad para realizar muchas operaciones al mismo tiempo. Esta capacidad de paraleloel procesamiento permite una computación más rápida y sofisticada al tiempo que hace un uso eficiente de los recursos limitados de la célula.
resultados lógicos
En el nuevo estudio, se diseñaron compuertas lógicas conocidas como AND, OR y NOT. Una compuerta AND produce una salida en la celda solo cuando están presentes dos mensajes de ARN A y B. Una compuerta OR responde a A OR B, mientras queuna puerta NOT bloqueará la salida si está presente una entrada de ARN dada. La combinación de estas puertas puede producir una lógica compleja capaz de responder a múltiples entradas.
Usando interruptores de retención de ARN, los investigadores produjeron los primeros dispositivos de ribocomputación capaces de AND de cuatro entradas, OR de seis entradas y un dispositivo de 12 entradas capaz de llevar a cabo una combinación compleja de lógica AND, OR y NOT conocida como forma normal disyuntivaexpresión. Cuando la puerta lógica encuentra las secuencias de unión a ARN correctas que conducen a la activación, se abre un interruptor de pie y se lleva a cabo el proceso de traducción a proteínas. Todas estas funciones de detección y salida de circuito pueden integrarse en la misma molécula, haciendo que los sistemascompacto y más fácil de implementar en una celda.
La investigación representa la siguiente fase del trabajo en curso utilizando los conmutadores de sujeción de ARN altamente versátiles. En trabajos anteriores, Green y sus colegas demostraron que una matriz económica de conmutadores de sujeción de ARN en papel podría actuar como una plataforma altamente precisa para diagnosticarVirus Zika: la detección de ARN viral por parte de la matriz activó los interruptores de pie, lo que provocó la producción de una proteína, que se registró como un cambio de color en la matriz.
El principio básico de usar dispositivos basados en ARN para regular la producción de proteínas se puede aplicar a prácticamente cualquier entrada de ARN, dando paso a una nueva generación de diagnósticos precisos y de bajo costo para una amplia gama de enfermedades. El enfoque libre de células es particularmentemuy adecuado para amenazas emergentes y durante brotes de enfermedades en el mundo en desarrollo, donde los recursos médicos y el personal pueden ser limitados.
La computadora dentro
Según Green, la próxima etapa de investigación se centrará en el uso de la tecnología de retención de ARN para producir las llamadas redes neuronales dentro de las células vivas, circuitos capaces de analizar una gama de entradas excitadoras e inhibidoras, promediarlas y producir unsalida una vez que se alcanza un umbral de actividad particular, de la misma manera que una neurona promedia las señales entrantes de otras neuronas. Finalmente, los investigadores esperan inducir a las células a comunicarse entre sí a través de señales moleculares programables, formando una red cerebral realmente interactiva.
"Debido a que estamos usando ARN, una molécula universal de la vida, sabemos que estas interacciones también pueden funcionar en otras células, por lo que nuestro método proporciona una estrategia general que podría ser portada a otros organismos", dice Green, aludiendo a un futuroen el que las células humanas se convierten en entidades totalmente programables con amplias capacidades biológicas.
El acompañante video demuestra los principios básicos del interruptor de retención de ARN.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad Estatal de Arizona . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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