מכונות מולקולואריות: מחשב ביולוגי מיוצר בתוך התא

מחשב ביולוגי מיוצר בתוך התא

פותח מחשב ביולוגי (ביו-מחשב) חדש שמאפשר למדענים “לתכנת” מולקולות כדי לשאת “פקודות” בתוך תאים.

חוקרים יצרו ביו-מחשב מתוך רצפים של RNA בתוך תא חי, והם הדגימו שניתן לתכנת אותו כך שהוא יגיב לתנאים בתוך התא תוך שהוא יקבל על עצמו משימות מסוימות. כמו מרבית המחשבים רכיב ה-RNA או הביו-מחשב פועל על בסיס המערכת הפשוטה של הלוגיקה הבוליאנית – ניתן לתכנתו כך שיגיב לפקודות AND, OR, NAND ו- NOR. המחשב לא מריץ את תוכנת “ווינדוס” עליו וגם אין לו מעבד של אינטל בעל ליבה כפולה. אין לו גרפיקה פיצוץ מתחלפת של נבידיה והוא לא עשוי מחתיכת אלומניום אחת. אין לו גם טראקפאד מזכוכית ואין לו מסך סינימה עם פטנטים… אבל הוא מהיר. תכירו זהו הביו-מחשב שמיוצר בתוך התא. כן, זה לא סרט מדע בדיוני. זו הצעה שהוגשה למגזין היוקרתי Science והיא פורסמה אתמול

 

Higher-Order Cellular Information Processing with Synthetic RNA Devices

Maung Nyan Win and Christina D. Smolke*

The engineering of biological systems is anticipated to provide effective solutions to challenges that include energy and food production, environmental quality, and health and medicine. Our ability to transmit information to and from living systems, and to process and act on information inside cells, is critical to advancing the scale and complexity at which we can engineer, manipulate, and probe biological systems. We developed a general approach for assembling RNA devices that can execute higher-order cellular information processing operations from standard components. The engineered devices can function as logic gates (AND, NOR, NAND, or OR gates) and signal filters, and exhibit cooperativity. RNA devices process and transmit molecular inputs to targeted protein outputs, linking computation to gene expression and thus the potential to control cellular function.

Division of Chemistry and Chemical Engineering, California Institute of Technology, 1200 East California Boulevard, MC 210-41, Pasadena, CA 91125, USA.

 

Photo: Bio-Computer Created Inside Living Cell

מדענים מקליפורניה יצרו מחשבים מולקולאריים שהם מסוגלים למה שקרוי self-assemble  (הרכבה עצמית מולקולרית) מתוך רצפים של RNA בתוך תאים חיים.

(הרכבה עצמית מולקולארית – תהליך שבאמצעותו המולקולות מסתדרות מעצמן ללא הנחיה מוגדרת ממקור חיצוני. המולקולות מסתדרות לכדי יצירת מבנים מורכבים שמסוגלים לפעול בצורות שונות. המאפיינים של הרכבה עצמית הם, שהתהליך של ההרכבה של המבנים המולקולאריים מעורב בהקטנת האנרגיה, ובנוסף אין התערבות בתהליך. הרכיבים הנכונים מסתדרים מאיליהם לכדי יצירת המבנים בהתאם לתכנון).

לבסוף מחשבים מולקולאריים כאלה יכולים להיות מתוכנתים כדי לבצע מניפולציה לפונקציות ביולוגיות בתוך התא, כאשר הם מבצעים מטלות שונות תחת תנאים שונים. יישום אחד יכול להיות תמסורת תרופות חכמה, אומרת קריסטינה סמולק שביצעה את המחקר יחד עם מאונג נאיאן ווין.

השימוש בביו-מולקולות כדי לבצע חישובים הודגם לראשונה על ידי לאונרד אדלמן מאוניברסיטת דרום קליפורניה ב-1994, והגישה פותחה מאוחר יותר על ידי אהוד שפירו ממכון ויצמן ברחובות. אבל לפי שפירו, “מה שעבודה חדשה זו [של סמולק ו-ווין] מראה לראשונה זה את היכולת לגלות את הנוכחות או ההעדר של מולקולות בתוך התא”.

זה פותח את האפשרות לרכיבי חישוב שיכולים להגיב לתנאים מסוימים בתוך התא, כך אומר שפירו. למשל ניתן אולי לפתח מערכת למסירת תרופות שפוגעת בתאי הסרטן מבפנים על ידי גנים חיישנים שמשמשים כדי לווסת גידול תאי ומוות תאי. ניתן לתכנת את הביו-מחשב כך שישחרר את התרופה כאשר התנאים הם בדיוק נכונים, בזמן הנכון ובמקום הנכון.

 

Computing with RNA

Devices that self-assemble from biological molecules could represent the future of drug delivery.

 

רכיבים כמו ביו-מחשבים אלה יוכלו לאפשר לבני אדם יום אחד לבצע מניפולציה למערכות ביולוגיות בצורה ישירה, כך אומרת קריסטינה סמולק מהמכון לטכנולוגיה בקליפורניה הקלטק שביצעה את המחקר במשותף עם מאונג נאיאן ווין והוא התפרסם ב-17.10.08 בכתב העת היוקרתי Science.

מחשבים ביולוגיים – הביו-מחשבים – עשויים לבסוף לשרת כמעין מוחות כדי לייצר למשל ביו-דלקים מהתאים , או כדי לפקח על תמסורת של “תרופות חכמות” שניתן להעבירן רק תחת תנאים מסוימים. למשל תרופה חכמה יכולה להדגים סביבה תאית ולעורר רצף של הרס-עצמי אם המחלה מתגלה, כך מסבירה סמולק.

כיצד בנוי המחשב?

המחשב של סמולק ו-ווין בנוי משלושה רכיבים עיקריים:

1)    חיישנים.

2)    מניעים.

3)    טרנסמיטור.

כולם מורכבים מ-RNA.

חיישני ה”קלט” מורכבים מ-aptamers – מולקולות RNA שמתנהגות קצת כמו נוגדנים, ומתקשרות חזק למטרות מסוימות.

באותו האופן רכיבי ה”פלט”, או ה-actuators מורכבים מריבוזומים – מולקולות RNA מורכבות שיש להן תכונות קטליטיות זהות לאלה של האנזימים.  

שני הרכיבים האלה משולבים על ידי מולקולת RNA נוספת שמשרתת כטרנסמיטור, והיא מופעלת כאשר מולקולת חיישן מאבחנת כימיקל קלט וכתוצאה מעוררת מולקולת actuator.

 

הביו-מחשב החדש מורכב מחתיכת RNA מהונדס שמורכב בתוך תא של שמרים. ה-RNA היא מולקולה ביולוגית זהה ל-DNA, שמצפינה מידע גנטי, למשל כדי ליצר חלבונים שונים.

במונחים של הנדסה, ה”קלט” של הביו-מחשב הן מולקולות שצפות סביב אל תוך התא. ואילו “הפלט” מהו? “הפלט” מתבטא בשינויים ביצירת החלבון. למשל, מחשב ה-RNA יכול להיות מסוגל להתחבר עם שתי מולקולות שונות. אם שתי מולקולות המטרה מתקשרות אליו, הן מעוררות את הרכיב לשנות צורה. הביו-מחשב ששינה צורה הוא עתה בצורה הנכונה כדי להתחבר אל ה-DNA, ששם הוא יכול להשפיע ישירות על הביטוי הגנטי והוא יכול להאיץ או להאט את יצירת החלבונים הרצויים. חלבונים אלה יכולים להשפיע על התא במספר דרכים, כמו למשל להרוג את התא אם במקרה הוא תא סרטני.

הקבוצה תכננה את החלקים השונים של מחשב ה-RNA שלה להיות מודולארי, כך שחלקיו יתערבבו ויותאמו. תלוי בשילוב של החלקים שאותם שמים יחד, כך מקבלים השפעות שונות: סמולק ו-ווין תכננו את מחשבי ה-RNA שלהם כדי לגלות את התרופות טטרציקלין ותיאופילין בתוך תאי שמרים, כאשר הם יוצרים חלבון פלורסנטי כפלט. תוך צירוף רכיבי ה-RNA בדרכים שונות, החוקרים הראו שהם מסוגלים לגרום להם להתנהג כמו סוגים שונים של שערים לוגיים – אלמנטים של מעגלים שמוכרים מכל מחשב. למשל שער AND יוצר רק פלט כאשר הקלט שלו מגלה את הנוכחות של שתי התרופות, בעוד ששער NOR יוצר פלט בלבד כאשר לא מתגלית שום תרופה.

Biocomputer Made of RNA Understands Boolean Logic

cell structures

מכאן

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s