Опубликованные в «Молекулярной ячейке» исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новую технологию, которая использует ДНК для обработки и хранения информации в живых клетках.
Shutterstock | gopixa
До сих пор технология записи ДНК была способна захватывать и регистрировать ограниченное количество молекулярных событий в организме, что означает, что они не могут быть использованы в течение длительных периодов времени.
В документе описывается способность обрабатывать и хранить информацию в живых клетках как «существенную», но в настоящее время методы, с помощью которых можно достичь этой цели, имеют «ограниченную емкость записи и сложность масштабирования».
Но теперь исследователи Массачусетского технологического института сообщают о разработке «высокоэффективной и надежной платформы для молекулярной записи и памяти ДНК», которая похожа на жесткий диск. Названный оператором упорядоченной памяти и итерационной сети на основе ДНК (DOMINO), система генетической памяти использует геномную ДНК (ДНК состоит из всех генов, необходимых для выживания организма, включая те, которые передаются из поколения в поколение) для запись молекулярных событий.
ДНК клетки преобразуется в читаемую информацию для компьютеров, которые могут хранить эту информацию для дальнейшего изучения. Записывая порядок и время клеточных событий, ученые смогут отслеживать активность в клетках, которые способствуют заболеваниям, таким как рак, возможно, предлагая понимание того, как и почему здоровые клетки становятся злокачественными в этом случае.
Применение этого типа технологий является широким, и авторы заявляют, что система может найти применение в биотехнологии и биомедицине для изучения рака, а также в разработке живых биосенсоров и адаптивной терапии.
Старший автор Тимоти Лу, инженер-электрик и ученый из Массачусетского технологического института и Института Броада, рассказал о необходимости такого типа технологий.
«Нам нужны более эффективные стратегии, чтобы понять, как работает сложная биология, особенно при таких болезнях, как рак, где могут происходить многочисленные биологические явления, превращающие нормальные клетки в больные. С помощью этого метода мы используем ДНК в качестве ленты памяти для постоянной записи биологических событий, которые происходят при заболевании. Эта технология может дать нам более глубокое понимание того, какие сигналы увеличиваются или уменьшаются с течением времени для развития болезни ».
Авторы считают, что технология позволит им регистрировать и контролировать молекулярные события в их естественной среде с помощью «беспрецедентного» набора приложений, охватывающих «биологию развития, рак, стволовые клетки и картирование мозга».
Они смогли отслеживать и определять сроки развития у млекопитающих и надеются, что смогут в будущем отслеживать нейронную активность в мозге с помощью регистраторов, которые запрограммированы для опроса развития опухолей и обнаружения триггеров окружающей среды, которые заставить их расти.
Фахим Фарзадфард, аспирант и бывший аспирант лаборатории Лу, который разработал концепцию DOMINO, расширил возможности этих новых «живых сенсоров», которые могут однажды почувствовать патогенные микроорганизмы и токсины в организме.
«Мы также можем объединить и наложить несколько событий чтения и записи ДНК вместе для создания различных форм логики, таких как операции« И »и« ИЛИ », которые затем можно использовать для создания более сложных операций памяти и вычислений в жизни. клетки.»
Он объяснил далее:
«Биологические системы можно рассматривать как конгломераты систем обработки и хранения информации, причем ДНК является одним из многих возможных носителей, которые можно использовать. Способность читать и писать ДНК и, возможно, другие биологические среды может приблизить нас к тому, чтобы мы могли изучать и программировать биологию модульным систематическим образом ».
DOMINO – это модульная система, состоящая из множества операторских блоков, каждый из которых состоит из базового редактора, направляющей РНК, которая связывается с последовательностями генома и связывает базовый редактор с этой конкретной последовательностью. Вместо того, чтобы разрезать ДНК в определенных местах, таких как существующие инструменты редактирования генома CRISPR (кластеризованные регулярно пересекающиеся короткие палиндромные повторы), DOMINO может перезаписывать ДНК в определенных местах с помощью подхода редактирования базы.
Эта система запускает последовательности событий записи ДНК, при которых мутация ДНК запускает другую в ответ на биологические сигналы. Известные как «дизайнерские» или «сконструированные» клетки, клетки могут дать чрезвычайно подробное представление об активности клеток и фундаментальных действиях в биологии.
«Этот тип биокомпьютинга – это захватывающий новый способ получения и обработки информации», – сказал Лу. «Это часть долгосрочного пути использования естественной памяти и вычислительных возможностей ячеек. Эти дизайнерские ячейки могут постоянно оценивать свою среду и записывать информацию, которая может быть прочитана позднее ».
Лу и Фарзадфард смогли записать события за считанные часы, но надеются, что смогут сделать запись в еще более короткое время. Они планируют расширить возможности DOMINO, чтобы иметь возможность исследовать более сложные биологические события.
Источник:
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-08/cp-lce081519.php
Журнал: ссылка:
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1097276519305416