Usando hebras de ácido nucleico, Los científicos han demostrado operaciones informáticas básicas dentro de una célula de mamífero viviente. La investigación podría conducir a un sistema de detección artificial que podría controlar el comportamiento de una célula en respuesta a estímulos como la presencia de toxinas o el desarrollo de cáncer.

La investigación utiliza el desplazamiento de la hebra de ADN, una tecnología que ha sido ampliamente utilizada 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 dentro de las células vivas e interactuar con el ARN mensajero nativo (ARNm).

Las herramientas que desarrollaron podrían proporcionar una base para 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 investigación fue publicada el 21 de diciembre en la revista Nanotecnología de la naturaleza .

"La idea es poder tomar la lógica que se usa en las computadoras y transferir esa lógica a las propias celdas, "dijo Philip Santangelo, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Biomédica Wallace H. Coulter en Georgia Tech y Emory University. "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 hebras son el equivalente biológico de los interruptores o puertas que forman la base de la computación basada en silicio. Pueden programarse para encenderse o apagarse en respuesta a un estímulo externo, como una molécula. Una puerta "Y", por ejemplo, cambiaría cuando se cumplieran ambas condiciones, mientras que una puerta "O" cambiaría cuando se cumpliera cualquiera de las condiciones.

En los interruptores que utilizaron los investigadores, una molécula indicadora de fluoróforo y su molécula de extinción complementaria se colocaron una al lado de la otra para crear un modo "desactivado". La unión de ARN en una de las cadenas desplazó luego una porción de ácido nucleico, separando las moléculas y permitiendo la generación de una señal que creaba un modo "encendido". Dos modos de "encendido" en las cadenas de ácido nucleico adyacentes crearon una puerta "Y".

"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 largo plazo, queremos expandir esta tecnología para crear circuitos con muchas entradas, como los que hemos construido en entornos sin células ".

Los investigadores utilizaron ligandos diseñados para unirse a porciones específicas de las cadenas de ácido nucleico, que puede ser creado según se desee y producido por proveedores comerciales.

"Detectamos moléculas y demostramos que podíamos responder a ellas, "dijo Santangelo." Demostramos que podíamos utilizar moléculas nativas en la célula como parte del circuito, aunque todavía no hemos podido controlar una celda ".

Conseguir que las operaciones informáticas básicas funcionen dentro de las células no fue una tarea fácil, y la investigación requirió varios años para realizarse. Entre los desafíos se encontraban introducir los dispositivos en las celdas sin activar los interruptores, proporcionando una operación lo suficientemente rápida como para ser útil, y no matar las líneas celulares humanas que los investigadores usaron en el laboratorio.

"Tuvimos que cambiar químicamente las sondas para que funcionaran dentro de la célula y para que fueran lo suficientemente estables dentro de las células". ", dijo Santangelo." Descubrimos que estas reacciones de desplazamiento de hebras pueden ser lentas dentro del citosol, para que trabajen más rápido, construimos un andamio sobre el ARN mensajero que nos permitió amplificar los efectos ".

Las computadoras de ácido nucleico finalmente funcionaron como se deseaba, y el siguiente paso es utilizar su cambio para desencadenar la producción de sustancias químicas de señalización que provocarían la reacción deseada de las células. La actividad celular normalmente está controlada por la producción de proteínas, por lo que los interruptores de ácido nucleico deberán tener la capacidad de producir suficientes moléculas de señalización para inducir un cambio.

"Necesitamos generar suficiente de cualquier señal final necesaria para que la célula reaccione, ", Explicó Santangelo." Hay métodos de amplificación que se utilizan en la tecnología de desplazamiento de hebras, pero ninguno de ellos se ha utilizado hasta ahora en 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 el trabajo futuro, ", Dijo Santangelo." Conocemos las concentraciones de productos químicos y los requisitos de diseño de los componentes individuales, así que ahora podemos empezar a armar un conjunto más complicado de circuitos y componentes ".

Células, por supuesto, ya saben cómo detectar moléculas tóxicas y el desarrollo de tendencias malignas, y luego tomar acción. Pero esas salvaguardas pueden ser desactivadas por virus o células cancerosas que saben cómo eludir los procesos celulares naturales.

"Nuestro mecanismo simplemente ayudaría a las células a hacer esto, "La idea es agregar a la maquinaria existente para dar a las células capacidades mejoradas", dijo Santangelo.

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 hebras de ADN sean únicos es que todos los componentes están diseñados de forma totalmente racional al nivel de la secuencia de ADN, ", dijo Seelig." Esto realmente hace que esta tecnología sea ideal para un enfoque de ingeniería. A diferencia de, muchos otros enfoques para controlar la maquinaria celular se basan en componentes que se toman prestados de la biología y no se comprenden completamente ".