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Wissenschaftler konstruieren lebende Zellen als "logische Tore"
In einem Schritt, der den Tag der zellularen Computer näher bringt, hat ein Team von US-Wissenschaftlern der Johns Hopkins University School of Medicine in den USA lebende Zellen so konstruiert, dass sie sich wie Logikgatter verhaltenoder einfache biologische Recheneinheiten, die als Antwort auf bestimmte Kombinationen von Eingaben bestimmte Ausgaben erzeugen.
In der Maiausgabe von Natur Chemische BiologieDer leitende Autor Takanari Inoue, Assistenzprofessor an der Abteilung für Zellbiologie an der Johns Hopkins und Mitglied des Zentrums für Zelldynamik am Institut für grundlegende Biomedizinische Wissenschaften der Universität, und Kollegen beschreiben, wie sie Säugerzellen dazu gebracht haben, sich wie AND und OR zu verhalten logische Gatter.
Im Zentrum jedes digitalen Computers stehen "Logikgatter", die boolesche oder logische Operationen wie NOT, AND und OR ausführen. Diese Gatter erkennen und antworten, indem sie nur zwei Zustände verstehen: Wahr (1) und Falsch (0).
Zum Beispiel hat das UND-Gatter zwei Eingänge und gibt nur dann eine 1 aus, wenn beide Eingänge 1 sind. Für dieses Gatter erzeugt daher nur die Kombination 11 aus den vier möglichen Eingangskombinationen 00, 01, 10 und 11 eine 1; Die anderen drei Kombinationen ergeben eine 0.
Das ODER-Tor hat auch zwei Eingänge, aber es gibt eine 1 aus, wenn eine oder beide eine 1 sind. So führt von den vier möglichen Kombinationen 00, 01, 10 und 11 nur die 00 zu 0, für die anderen drei Kombinationen das ODER-Gatter gibt eine 1 aus.
In elektronischen Computern sind die logischen Gatter siliziumbasierte Komponenten, und die Zustände Wahr und Falsch (1 und 0) werden durch das Vorhandensein oder Fehlen eines elektrischen Stroms dargestellt.
Stellen Sie sich nun vor, Sie könnten einen ähnlichen logischen Prozessor in einer Zelle erstellen. Welche Komponenten und Funktionen könnten Sie verwenden? Ein Ansatz besteht darin, die genetische Maschinerie innerhalb von Zellen zu verwenden, was bereits geschehen ist. Frühere Studien haben die Transkription verwendet, den Prozess, durch den Zellen Gene lesen, um Proteine ??zu erzeugen, um Outputs zu erzeugen. Aber das ist langsam und kann von Minuten bis Tagen dauern. Und das Bedürfnis nach Geschwindigkeit ist ein Schlüsselfaktor für diese Forschung, wie Inoue erklärte:
"Die Leute haben gerne schnelle Berechnungen. Wir haben gehofft, dass die Berechnung in Zellen in der Größenordnung von Sekunden erfolgt, was deutlich schneller ist als das, was bisher erreicht wurde."
Also beschlossen Inoue und Kollegen, ein auf zellulären Proteinen basierendes System zu entwickeln.
Sie erreichten dies, indem sie eine Technik namens chemisch induzierbare Dimerisierung (CID) einsetzten, die natürliche biologische Mechanismen einsetzt, um zwei Proteine ??in Gegenwart einer Chemikalie zu einem Komplex zu verschmelzen.
Da UND- und ODER-Gatter Ausgänge auf der Grundlage von zwei verschiedenen Eingängen entweder zusammen oder getrennt erzeugen, benötigte das Team zwei verschiedene CID-Systeme, die nicht miteinander konkurrierten oder sich überschnitten.
Sie stützten sich auf ein seit Jahren untersuchtes CID-System, das die tierischen Proteine ??FRB und FKBP in Gegenwart eines aus Bakterien stammenden Medikaments namens Rapamycin zusammenbringt.
Zusätzlich verwendeten sie ein zweites CID-System, das die beiden Pflanzenproteine ??GID1 und GAI in Gegenwart eines Pflanzenhormons namens Gibberellin zusammenbringt.
Inoue erklärte, dass das Gibberellin-System, da es auf Pflanzen basiert, nicht mit dem tierischen Rapamycin konkurriert.
Er und seine Kollegen konstruierten Säugetierzellen, die alle vier Proteine ??bilden, sowie eine Reaktion, wenn die beiden richtigen Proteine ??zusammenkommen.
Wenn entweder FRB und FKBP oder GID1 und GAI zusammenkamen, entwickelte die Zellmembran "Kräuselungen", die unter einem Mikroskop leicht zu sehen waren.
Um das OR-Gatter herzustellen, wurden FRB und GAI an der Zellmembran aneinander gebunden, während FKBP und GID1 in der Zelle frei miteinander verbunden waren. Die OR-Operation erfolgte durch Zugabe von entweder Rapamycin OR oder Gibberellin OR, weil jedes von diesen zu dem frei schwimmenden Paar führte, das sich mit dem Paar an der Membran verband, um das Ausgangssignal zu erzeugen.
Um das UND-Gatter zu machen, legte das Team nur GAI auf die Zellmembran und hatte gerade FRB und eine Kombination aus FKBP und GID1, die frei in der Zelle schwebten. In diesem System mussten alle vier Proteine ??verknüpft werden, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das nur dann auftrat, wenn sowohl Rapamycin als auch Gibberellin anwesend waren.
Als sie diese Systeme testeten, stellte das Team fest, dass sie in wenigen Sekunden die erforderlichen Antworten schnell produzierten.
Als zweiten Beweis des Prinzips testeten sie auch das System mit Fluoreszenz als das erforderliche Ausgangssignal. Sie fanden das genauso schnell.
Inoue sagte, dass es möglich sein könnte, diese Methoden zu verwenden, um größere, komplexere Logikschaltungen zu erstellen und um Computer auf Zellen zu basieren.
In der Zwischenzeit könnten diese Systeme mehr oder weniger wie sie sind gut genutzt werden: zum Beispiel könnten sie spezifische Ausgaben in Gegenwart bestimmter Chemikalien produzieren, ein nützliches diagnostisches Werkzeug.
Eine weitere mögliche Verwendung besteht darin, zu untersuchen, wie Zellen natürlicherweise Outputs produzieren, um Körperfunktionen zu regulieren.
Mittel aus dem National Institute of Health (NIH), der National Science Foundation und dem National Center for Research Resources der NIH und NIH Roadmap für medizinische Forschung halfen, die Studie zu finanzieren.
Geschrieben von Catharine Paddock
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