Autonomiczna nanodevice kontroli ekspresji genów przyczyni się do opieki medycznej

Anonim

Ekspresja genów jest podstawą życia, w którym każda komórka włącza i wyłącza określone geny. W związku z tym autonomiczne urządzenie, które mogłoby kontrolować przełączanie typu on-off, miałoby wielką wartość w opiece medycznej.

Syntetyczne obwody genetyczne to technologia kontrolująca ekspresję genów i komórki programowe do wykonywania pożądanych funkcji. Dlatego zwiększenie złożoności obwodu genetycznego pozwoli nam dokładniej kontrolować losy komórek.

Jednak złożoność obwodów genetycznych pozostaje niska. Dzieje się tak dlatego, że w konwencjonalnych systemach z dyfuzją reakcji enzymy i substraty dostarczane są osobno, a niespecyficzne wiązanie enzymów z substratami powoduje niezamierzony przesłuch pomiędzy różnymi obwodami.

Naukowcy z Uniwersytetu w Osace we wspólnym projekcie badawczym z Uniwersytetem w Tokio, Uniwersytetem Kyoto i Uniwersytetem Waseda skonstruowali zintegrowane układy logiczne genów zwane "nanochipami genowymi". Te niezależne nanochipy, wykorzystujące zintegrowane czynniki na nanochipach, mogą włączać i wyłączać geny w jednym układzie, zapobiegając niezamierzonemu przesłuchom.

Naukowcy wykazali autonomiczne reakcje nanochipów w sztucznych komórkach: wykrywanie warunków środowiskowych, obliczenia informacji i wydajność produktu na poziomie jednoukładowym. Ich wyniki badań zostały opublikowane w Nature Nanotechnology.

Nanotechnologia DNA jest wszechstronną metodą stosowaną do konstruowania niestandardowych struktur i kontrolowania precyzyjnych układów molekularnych. Naukowcy wykorzystali prostokątny arkusz (90 nm szerokości, 60 nm głębokości, 2 nm wysokości) i zintegrowany enzym, polimerazę RNA (RNAP, enzym, który syntetyzuje RNA z matrycy DNA) i wiele substratów docelowych genu.

Nano-układ nanotechnologii DNA pozwala badaczowi racjonalnie projektować poziomy ekspresji genów poprzez zmianę międzycząsteczkowych odległości między enzymem a genami docelowymi, wpływając w ten sposób na skuteczność kolizji i następującą po niej reakcję.

Naukowcy dodatkowo zintegrowali czujniki. Idealnie, czujnik, który jest zdolny do wykrywania dowolnego rodzaju sygnału, powinien mieć minimalne ograniczenia projektowe. Jednak konwencjonalne metody mają wiele ograniczeń (np. Materiały). Dzieje się tak, ponieważ w konwencjonalnych obwodach genetycznych czujnik jest częścią substratu enzymu (np. DNA w transkrypcji, patrz uwaga dla szczegółów).

Odwrotnie, w tym badaniu część czujnika była niezależna od reakcji enzymatycznej. W związku z tym naukowcy mogą wykorzystywać dowolne materiały czujnikowe, które zmieniają skuteczną odległość międzycząsteczkową na rozpoznawanie sygnału, umożliwiając budowę różnych czujników reagujących na różne sygnały (mikroRNA, związki chemiczne, białka i światło). Ponadto, łącząc i integrując czujniki reagujące na różne sygnały, naukowcom udało się przeprogramować fotonowo obwody genetyczne.

Wreszcie nanochip pozwolił badaczom uprościć konstrukcję obwodu genetycznego, który reagował na sztuczną komórkę, kroplę wody w oleju, i mogli obliczyć swój profil miRNA, po prostu mieszając ortogonalne chipy, zwiększając moc obwód genetyczny.

Odpowiadający autor Hisashi Tadakuma mówi: "Wszystkie czynniki niezbędne do przeprowadzenia reakcji transkrypcji dotyczą tego zintegrowanego nanoczipa, więc wykrywanie warunków środowiskowych, obliczenia informacji i produkcja produktu mogą być zakończone na poziomie pojedynczego chipa. W niedalekiej przyszłości autonomiczne nanochipy będą przydatne w utrzymywanie komórki w stanie zdrowym poprzez kontrolowanie ekspresji genów przestrzennie i czasowo, co ucieleśnia ideał powiedzenia "zapobieganie jest najlepszym lekiem". "

Idealnie, czujnik, który jest zdolny do wykrywania dowolnego rodzaju sygnału, powinien mieć minimalne ograniczenia projektowe. Jednak konwencjonalne metody mają wiele ograniczeń (np. Materiały). Dzieje się tak, ponieważ w konwencjonalnych obwodach genetycznych skuteczność wiązania między enzymem, takim jak RNAP (klucz) i genem docelowym (blokada docelowa), w szczególności sekwencją promotorową w cząsteczce DNA, jest kontrolowana przez czynniki transkrypcyjne (regulatory). Ponieważ regulatory i enzymy powinny łączyć się z czujnikiem (regionem operatora) w pobliżu celu, materiał czujnika musi być substratem regulatorów i enzymów (np. DNA w transkrypcji), a regulator powinien być wiązaniem DNA białko. Zatem zarówno regulator (sygnał) jak i czujnik mają ograniczenia materiałowe.

Jednak w tym badaniu częstość wiązania i następna reakcja są kontrolowane przez (1) międzycząsteczkową odległość między enzymem a genem docelowym, i (2) charakterystykę łańcucha kluczowego (np. Sztywność, długość). Tak więc część czujnika jest niezależna od reakcji enzymatycznej, a czujnik i regulatory nie mają żadnych ograniczeń materiałowych, umożliwiając różnym czujnikom reagowanie na różne sygnały (związki chemiczne, białka i światło).

menu
menu