Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Diagnostyczny mikro-komputer DNA działa w komórce bakteryjnej
11.02.2013
Diagnostyczny mikro-komputer DNA działa w komórce bakteryjnej
Izraelscy naukowcy stworzyli i z sukcesem przetestowali w komórce bakteryjnej programowalne urządzenie genetyczne oparte na bramce logicznej NOR.

W wizjach przyszłości pojawiają się miniaturowe komputery-roboty medyczne działające w ludzkich ciałach. Mają one zajmować się wykrywaniem chorób i uwalniać odpowiednie leki bez pomocy z zewnątrz. Takie urządzenie musi być na tyle miniaturowe, aby mieścić się w komórkach oraz być kompatybilne z systemem biologicznym organizmu. Koncepcję próbuje się zrealizować prowadząc prace nad urządzeniami zbudowanymi z DNA i białek. Celem jest stworzenie organizmów działających jak komputer - odbierających i przetwarzających informacje, a później dających określoną odpowiedź.

Zespół badaczy z Weizmann Institute of Science (Rethovot, Izrael) opracował urządzenie genetyczne działające niezależnie w komórce bakteryjnej, zdolne do rozróżniania komórek prokariotycznych o określonym profilu ekspresji genów.

Działanie urządzenia rozpoznaje czynniki transkrypcyjne, czyli białka regulujące ekspresję genów w komórce poprzez wiązanie się do specyficznej sekwencji DNA. Czynniki transkrypcyjne przydają się do identyfikowania niektórych zmian chorobowych, u których podstaw leży wadliwa ekspresja genetyczna. Na przykład komórki nowotworowe posiadają zmieniony profil ekspresji określonych genów, który daje im możliwość niekontrolowanego namnażania i zatrzymywania mechanizmów programowanej śmierci komórkowej (reakcja obronna organizmu).

Urządzenie zbudowane z sekwencji DNA wprowadzonej do komórki bakteryjnej reaguje z określonymi czynnikami transkrypcyjnymi. Jeżeli żadne z nich nie jest obecne (czyli rezultat jest zgodny z zaprogramowanymi parametrami), następuje ekspresja łatwego do wykrycia świecącego białka GFP. Zespół w planach ma zastąpienie białka GFP przez czynnik wyzwalający śmierć komórkową, zmuszając "pozytywnie" zdiagnozowane komórki do autodestrukcji.

Wcześniejsze koncepcje inteligentnych leków, polegające na ekspresji leczniczego genu po wykryciu pojedynczego czynnika są obecnie w trakcie prób klinicznych (terapie genowe nowotworów). Taki sposób diagnostyki jest jednak ryzykowny z uwagi na możliwość błędu. Dokładność można znacząco zwiększyć np. poprzez oparcie diagnostyki na wielu czynnikach transkrypcyjnych. Proponowano rozwiązania w postaci urządzeń biologicznych, bazujących na podejściu konstrukcyjnym, gdzie etap diagnostyki składa się z wielu etapów. Urządzenie tego typu wykrywające wiele czynników składałoby się z ogromnej liczby elementów dokonujących obliczeń, co stwarza wiele problemów.

W przypadku opisywanego urządzenia zastosowano inną koncepcję - jego działanie oparto na bramce logicznej NOR. Jest to pojedynczy element regulatorowy w postaci plazmidu, składający się z kilku regionów wiążących. Jedno zablokowane miejsce wiążące uniemożliwia przyłączenie polimerazy, co hamuje ekspresję genu białka GFP.

Urządzenie DNA zostało wprowadzone do czterech typów genetycznie zmodyfikowanych bakterii E.coli różniących się ekspresją czynników transkrypcyjnych A i B (RFs Lacl i TetR):

- NOR (A=0; B=0)

- XOR (A=1; B=0 lub A=0; B=1)

- AND (A=1; B=1)

Zielona fluorescencja pojawiła się w przypadku bakterii z brakiem obu czynników.

Element regulatorowy jest tak zaprojektowany, aby wszystkie "wejścia" i "wyjścia" były tego samego typu. Pozwala to tworzyć całe obwody logiczne. Aby dodatkowo przetestować koncepcję, opracowano też podstawowe bramki NOT, OR i AND. Na ich potrzeby wprowadzono do systemu element C (represor λ), dzięki któremu na wyjściu modułu można uzyskać sygnał "1" lub "0". Działanie tych bramek w bakteriach także było zgodne z oczekiwaniami.

Najbardziej realnym zastosowaniem genetycznych bramek logicznych jest diagnostyka i leczenie nowotworów. Zespół Weizmann Institute of Science planuje zbadać możliwość użycia tak zmodyfikowanej bakterii w ludzkim ciele. Nie powinno być z tym problemu, ponieważ znajduje się w nas 10x więcej komórek bakteryjnych niż komórek ludzkich. Kolejnym wyzwaniem jest uruchomienie podobnego systemu w ludzkich komórkach, znacznie bardziej złożonych niż bakteryjne.


Przeczytaj również:

DNA sposobem na zabezpieczenie globalnych danych?


 

Seweryn Frasiński

Źródła:

1. Weizmann Institute of Science

2. Artykuł w Nature (open acces)

KOMENTARZE
news

<Czerwiec 2019>

pnwtśrczptsbnd
28
31
1
2
3
4
6
Marketing w branży health&beauty
2019-06-06 do 2019-06-06
8
9
10
11
Beauty Innovations 2019
2019-06-11 do 2019-06-11
15
16
17
18
Innowacyjny Szpital: Matka i dziecko
2019-06-18 do 2019-06-18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
30
Newsletter