مدارهای RNA سلول ها را به نانوذرات تبدیل می کنند.

خلاصه:دانشمندان نشان داده اند که چگونه سلول های زنده می توانند برای انجام محاسبات به شیوه ای از ربات ها یا رایانه های کوچک انجام شوند.

اسید ریبونوکلئیک (RNA) برای ایجاد مدارهای منطقی قادر به انجام محاسبات مختلف میباشد. در آزمایش های جدید، گرین و همکارانش گیت های منطقی RNA را به سلول های باکتری زنده متصل می کنند که مانند کامپیوترهای کوچک عمل می کنند.

 

ارتباط بین رشته ای زیست شناسی و مهندسی، که به عنوان زیست شناسی مصنوعی شناخته می شود، به سرعت در حال رشد است و فرصت های جدیدی را به وجود می آورد که تا حدودی پیش بینی می شد.

الکس گرین، پروفسور موسسه BIODESIGN در ASU، در پژوهش جدید نشان می دهد که چگونه سلول های زنده را می توان برای انجام محاسبات به شیوه ای از روبات ها و رایانه های کوچک انجام داد.

 

نتایج مطالعات جدید پیامدهای قابل توجهی برای طراحی داروهای هوشمند و تحویل داروهای هوشمند، تولید انرژی سبز، تکنولوژی های تشخیصی کم هزینه و حتی توسعه نانوماشینی های آینده نگری که قادر به شکار سلول های سرطانی یا خاموش کردن ژن های نابهنجار هستند، پیروی می کنند.

 

سبز می گوید: “ما از تعاملات RNA-RNA بسیار قابل پیش بینی و قابل برنامه ریزی استفاده می کنیم تا تعریف کنیم که این مدارها می توانند چه کار کنند.” “این بدان معنی است که ما می توانیم از نرم افزار های کامپیوتری برای ایجاد توالی RNA استفاده کنیم که به همان شیوه ای که می خواهیم آنها را در یک سلول بسازیم، باعث می شود روند طراحی سریع تر شود.

 

این مطالعه به صورت آنلاین در مجله Nature منتشر شده است.

RNA طراح

رویکرد توصیف شده از مدارهای تشکیل شده از اسید ریبونوکلئیک یا RNA استفاده می کند. این مدارهاکه شبیه به مدارهای الکتریکی معمولی هستند، خود را در سلول های باکتری قرار می دهند، به آنها اجازه می دهد تا پیام های دریافتی را حس کنند و با تولید یک خروجی محاسباتی خاص (در این مورد یک پروتئین) به آنها پاسخ دهند.

 

در مطالعه جدید، مدارهای تخصصی که به نام gate gate شناخته می شوند در آزمایشگاه طراحی شده و سپس به سلول های زنده وارد می شوند. سوئیچ مدار کوچک زمانی که پیام ها (به شکل قطعات RNA) خود را به دنباله های مکمل RNA خود در مدار سلولی متصل می کنند، فعال می شوند و دروازه منطقی را فعال می کنند و خروجی دلخواه تولید می کنند.

 

سوئیچ های RNA را می توان به روش های مختلف برای ساخت دروازه های منطقی پیچیده ای که قادر به ارزیابی و پاسخ به ورودی های چندگانه هستند ترکیب می کند، درست همانطور که یک رایانه ساده ممکن است چندین متغیر را انجام دهد و عملیات ترتیبی مانند اضافه کردن و تفریق را انجام دهد تا نتیجه نهایی شود.

 

مطالعه جدید به طور چشمگیری سهولت انجام محاسبات سلولی را بهبود می بخشد. رویکرد RNA تنها برای تولید نانوذرات سلولی پیشرفت قابل توجهی است، زیرا تلاش های اولیه نیاز به استفاده از واسطه های پیچیده مانند پروتئین ها دارد. در حال حاضر، قسمت های ضروری ریبو محاسباتی را می توان به راحتی بر روی کامپیوتر طراحی کرد. خواص پایه ساده پیوند چهار عدد نوکلئوتید RNA (A، C، G و U) از خودآموز قابل پیش بینی و عملکرد این قطعات در یک سلول زنده اطمینان حاصل می شود.

 

کار Green در این زمینه از موسسه ویس در دانشگاه هاروارد شروع شد، جایی که او به توسعه مولفه مرکزی مورد استفاده در مدارهای سلولی، که به عنوان یک سوئیچ RNA شناخته می شود، کمک کرد. این کار در حالی انجام شد که گرین پس از پایان کار با پنگ یین، متخصص فناوری نانو، همراه با جیمز کالینز و پاملا سیلور، متخصصین زیست شناسی مصنوعی، همکاری های خود را در مقاله جدید انجام داد. گرین می گوید: “اولین آزمایشات سال ۲۰۱۲ بود.” “اساسا، سوئیچ ها به خوبی اجرا شده اند، ما می خواستیم راهی برای بهتر استفاده از آنها برای برنامه های کاربردی تلفن همراه پیدا کنیم.”

 

پس از ورود به ASU، اولین دانش آموز گرین Duo Ma در آزمایشات در موسسه Biodesign مشغول به کار بود، در حالی که یکی دیگر از Postdoc، جونگمین کیم کار مشابه در موسسه Wyss ادامه داد. هر دو هم نویسندگان این مطالعه جدید هستند.

 

تراشه Pentium طبیعت

 

امکان استفاده از DNA و RNA، مولکول های زندگی برای انجام محاسبات کامپیوتری مشابه در سال ۱۹۹۴ توسط Leonard Adleman از دانشگاه جنوبی کالیفرنیا به نمایش گذاشته شد. از آن به بعد، ان را به میزان قابل توجهی پیشرفت داده و اخیرا چنین محاسباتی مولکولی در سلولهای زنده انجام شده است. سلول های باکتریایی معمولا برای این منظور استفاده می شوند، زیرا آنها ساده تر و راحت تر دستکاری می شوند.)

 

تکنیک توصیف شده در مقاله جدید استفاده از این واقعیت است که RNA، بر خلاف DNA، تک سلولی است که در سلول تولید می شود. این اجازه می دهد تا محققان برای طراحی مدارهای RNA که می توانند فعال شوند، زمانی که یک رشته مکمل RNA با یک دنباله RNA درون مدار در نظر گرفته شود. این اتصال رشته های مکمل به طور منظم و قابل پیش بینی است، با نوکلئوتید های A که همواره با U و C جفت می شوند و همواره با Gهم جفت می شوند.

 

با تمام عناصر پردازش مدار ساخته شده با استفاده از RNA، که می تواند بر روی تعداد نجومی توالی های بالقوه عمل کند، قدرت واقعی روش جدیدی که در آن قرار دارد، در توانایی آن در اجرای همزمان عملیات های مختلف است. این ظرفیت به پردازش موازی اجازه می دهد محاسبات سریع تر و پیچیده تر را در حالی که استفاده موثر از منابع محدود سلول انجام دهد.

 

نتایج منطقی

در مطالعه جدید، دروازه های منطقی به نام AND، OR و NOT طراحی شده اند. دروازه ای AND یک خروجی در سلول تولید می کند تنها زمانی که دو پیام RNA A و B وجود دارد. یک دروازه ای OR به A یا B پاسخ می دهد، در حالی که یک ورودی NOT باعث جلوگیری از خروجی خواهد شد اگر یک ورودی داده شده RNA وجود داشته باشد. ترکیب این دروازه ها می تواند منطق پیچیده ای را ایجاد کند که بتواند به ورودی های چندگانه پاسخ دهد.

 

محققان با استفاده از سوئیچ های RNO، اولین دستگاه های برش سنجی قادر به چهار ورودی، شش ورودی OR و یک دستگاه ورودی ۱۲ قادر به انجام یک ترکیب پیچیده از AND، OR و NOT منطق نامیده می شود. هنگامی که دروازه منطقی رشته های مربوط به پیوند RNA را درست می کند، کلید سوئیچ باز می شود و روند انتقال به پروتئین اتفاق می افتد. همه این توابع محاسبه مدار و خروجی را می توان در مولکول یکپارچه، ساخت سیستم های جمع و جور و ساده تر در یک سلول اجرا شده است.

 

در مقاله قبلی، گرین و همکارانش نشان دادند که آرایه ای ارزان قیمت مبتنی بر کاغذ از سوئیچ های RN را می تواند به عنوان یک پلت فرم بسیار دقیق برای تشخیص ویروس Zika عمل کند. تشخیص RNA ویروسی توسط آرایه، سوئیچ ها را فعال می کند، باعث تولید پروتئین می شود که به عنوان یک تغییر رنگ در آرایه ثبت می شود

 

اصل اساسی استفاده از دستگاه های مبتنی بر RNA برای تنظیم تولید پروتئین می تواند به تقریبا هر ورودی RNA اعمال شود و در نسل جدید تشخیص دقیق و کم هزینه برای طیف گسترده ای از بیماری ها قرار می گیرد. رویکرد بدون سلول به ویژه برای تهدیدات در حال ظهور و در طی شیوع بیماری در کشورهای در حال توسعه، که منابع و پرسنل پزشکی ممکن است محدود باشد، مناسب است.

 

کامپیوتر در داخل

بر طبق گفته گرین، مرحله بعدی تحقیق بر استفاده از فناوری نانو RNA برای تولید شبکه های عصبی درون سلول های زنده تمرکز خواهد کرد – مدارهایی که قادر به تجزیه و تحلیل طیف وسیعی از ورودی های تحریک کننده و مهار کننده هستند، به طور میانگین آنها را تولید و یک خروجی تولید می کند یک آستانه خاص از فعالیت رسیده است، به طوری که یک نورون میانگین سیگنال های دریافتی از دیگر نورون ها است. در نهایت، محققان امیدوارند که سلول ها را با یکدیگر از طریق سیگنال های مولکولی برنامه ریزی شده برقرار کنند تا یک شبکه واقعا تعاملی مغز مانند ایجاد کنند.

 

از آنجا که ما از RNA استفاده می کنیم، یک مولکول جهانی از زندگی، ما می دانیم که این تعاملات همچنین می تواند در سلول های دیگر کار کند، بنابراین روش ما یک استراتژی کلی را فراهم می کند که می تواند به دیگر ارگانیزم ها منتقل شود “، با اشاره به آینده ای که در آن انسان سلول ها به طور کامل قابل برنامه ریزی هستند با قابلیت های بیولوژیکی گسترده همراه است.