211service.com
Op DNA gebaseerd moleculair computergebruik zal de weg vrijmaken voor programmeerbare pillen
Afbeelding van pillen Rawpixel | Unsplash
Wetenschappers weten al lang dat levende cellen een complex systeem van signalen gebruiken om hun omgeving waar te nemen en deze informatie intern en naar hun buren door te geven. Specifieke signaalmoleculen, hun concentratie en de manier waarop dit in de loop van de tijd verandert, zijn enkele van de factoren die in dit systeem spelen.
Hoewel in principe eenvoudig, blijkt het systeem buitengewoon krachtig en complex. Daarom is het decoderen moeilijk. Een probleem is de moeilijkheid om de signaalmoleculen te herkennen en te meten hoe hun concentratie verandert.
Wanneer gammastraling bijvoorbeeld zoogdiercellen beschadigt, veroorzaakt dit de afgifte van een eiwit dat nucleair p53 wordt genoemd. Dit komt vrij in vele snelle pulsen, een signaal dat ervoor zorgt dat de cel de werking onderbreekt om te controleren op schade (een proces dat celcyclusstilstand wordt genoemd).
UV-straling veroorzaakt echter een langere enkele puls, die onmiddellijk celdood veroorzaakt. Maar de totale hoeveelheid vrijgekomen p53 kan in beide gevallen hetzelfde zijn.
Moderne moleculaire sensoren kunnen dit verschil niet herkennen. Het is net alsof je naar een radioprogramma luistert met een morsecode-ontvanger: je kunt zien of de zender werkt, maar niet wat hij uitzendt.
Biologen hebben dus dringend behoefte aan een betere manier om deze moleculaire signalen te meten.
Voer Jackson O'Brien en Arvind Murugan in aan de Universiteit van Chicago. Deze jongens hebben een manier ontwikkeld om veranderingen in moleculaire signalen te meten met behulp van een krachtige vorm van moleculaire berekening. Ze zeggen dat hun aanpak de bouwstenen creëert voor een nieuwe manier om celsignalering te bestuderen en te exploiteren: ons werk legt de basis voor temporele patroonherkenning door middel van analoge moleculaire berekeningen.
De opkomende technologie achter het werk van O'Brien en Murugan is een vorm van DNA-computing waar synthetisch biologen grote verwachtingen van hebben. Het proces is gebaseerd op de manier waarop het ene stuk enkelstrengs DNA een ander kan verdringen in een dubbelstrengs DNA, een techniek die nauwkeurig kan worden gecontroleerd met behulp van goed ontwikkelde hulpmiddelen
Deze hulpmiddelen kunnen de snelheid en omkeerbaarheid van deze verplaatsingsstrengreacties nauwkeurig regelen over vele ordes van grootte. Dit zorgt dus voor schakelaarachtig gedrag - de reactie is aan of uit. En het combineren van verschillende schakelaars maakt logische bewerkingen mogelijk.
Dat maakt op zijn beurt de weg vrij voor allerlei rekentaken. Onderzoekers hebben aangetoond hoe verdringingsstrengreacties complexe berekeningen kunnen uitvoeren en zelfs het gedrag van deep learning-netwerken kunnen nabootsen.
De bijdrage van O'Brien en Murugan is het schetsen van de DNA-circuits die de aanwezigheid van specifieke signalen kunnen detecteren en de manier waarop ze in de loop van de tijd veranderen.
Pulsatiele signalen variëren op verschillende manieren. De periode van pulsen - het interval ertussen - kan veranderen. De lengte van elke puls kan variëren - pulsen met dezelfde periode kunnen bijvoorbeeld kort of lang zijn. Dit staat bekend als de duty-fractie - de fractie van de tijd dat de puls aan is. En natuurlijk kan het aantal pulsen veranderen.
Belangrijk is dat de totale hoeveelheid signaal hetzelfde kan zijn, zelfs wanneer de periode, de duty-fractie en het aantal pulsen enorm varieert.
Het nieuwe werk is om de moleculaire machinerie te ontwerpen die elk van deze kenmerken afzonderlijk en onafhankelijk kan meten. We demonstreren de decoder voor elk van deze tijdelijke functies, één voor één, laten we zeggen O'Brien en Murugan.
En de resultaten zien er veelbelovend uit. De onderzoekers hebben het gedrag van hun circuits gesimuleerd en zeggen dat ze goed werken: we demonstreren onze ontwerpprincipes met behulp van abstracte chemische reactienetwerken en met expliciete simulaties van DNA-strengverplaatsingsreacties.
Natuurlijk liggen er uitdagingen in het verschiet. De circuits kunnen zoeken naar vooraf bepaalde veranderingen in moleculaire signalen, maar meer flexibiliteit zou nuttig zijn. Het zou interessant zijn om moleculaire circuits te ontwikkelen die relevante temporele kenmerken dynamisch kunnen leren, zoals in machine learning-benaderingen, suggereren de onderzoekers.
En de schakeling meet nog geen veranderingen in de amplitude van het signaal, wat een ander belangrijk kenmerk kan zijn.
Verder is de volgende fase het bouwen van dit circuit en het in de praktijk brengen ervan. Dat is natuurlijk een voortdurende uitdaging voor synthetisch biologen in het algemeen. Successen uit het verleden lijken aan te tonen dat onderzoekers met vaardigheden die de kloof tussen nat en droog lab overspannen de grootste successen hebben, omdat ze snel kunnen handelen om nieuwe ideeën te testen.
De beloningen moeten enorm zijn. O'Brien en Murugan speculeren dat hun moleculaire computer dramatische toepassingen zou kunnen hebben. Ze stellen zich een DNA-origamipil voor die alleen medicijnen levert als het een specifiek patroon van signalen ontvangt.
De ontstekingsreactie van een cel en zijn adaptieve immuunrespons veroorzaken bijvoorbeeld verschillende signaalpatronen van de transcriptiefactor NFkB. Een pil kan worden geprogrammeerd om slechts één van deze te herkennen en dienovereenkomstig zijn nuttige lading vrij te geven.
Dat is misschien een eind weg. Desalniettemin is DNA-verplaatsingsstrenglogica een opwindende technologie met een enorm potentieel.
Referentie: arxiv.org/abs/1810.02883 : Tijdelijke patroonherkenning door analoge moleculaire berekening