Создан фреймворк BLADE для прокладки вычислительных цепей в ДНК млекопитающих и человека

Автор:
LK-4D4
Печать
дата:
4 апреля 2017 01:33
Просмотров:
1615
Комментариев:
1
Фундаментальная цель синтетической биологии — предсказуемо и эффективно перепрограммировать клетки, чтобы они осуществляли вычисления и выполняли заданную биологическую задачу. Клетки генетически модицифируются — туда внедряют цепи для биовычислений. Такие мини-компьютеры демонстрируют многообещающие результаты в терапии, диагностике и промышленных биотехнологиях. Синтетическая биология — одно из самых перспективных направлений современной науки.

Создан фреймворк BLADE для прокладки вычислительных цепей в ДНК млекопитающих и человека


При программировании клеток учёным приходится решать сложные прикладные задачи. Например, реализация простой бинарной булевой функции (с двумя входными операндами) в клетке прокариот или эукариот требует прокладки множества генетических цепей, обширного конструирования и настройки генетических компонентов. Что касается более сложных вычислительных цепей, то это исключительная редкость в научной литературе.


Проблему решают, составляя каталог генетических компонентов для вычислительных цепей и разрабатывая программное обеспечение для автоматического проектирования вычислительных цепей в клетке. К сожалению, такой софт пока доступен для программирования клеток бактерий, но не для клеток млекопитающих и человека. Сейчас неизвестно, можно ли перенести различные части программного обеспечения с программирования клеток бактерий на клетки высших организмов.

Эту проблему решила группа учёных с кафедры биоинженерии и Центра биологического дизайна при Бостонском университете, кафедры электротехники и вычислительной техники Бостонского университета, а также кафедры науки биосистем и электротехники Швейцарской высшей технической школы Цюриха. Они представили фреймворк BLADE. Это фреймворк общего назначения, помогающий строить сложные генетические вычислительные цепи в клетках млекопитающих, используя сайт-специфические рекомбиназы — ферменты, осуществляющие рекомбинацию между отдельными сегментами ДНК. Именно применение сайт-специфических рекомбиназ является главной инновацией этого фреймворка.

Рекомбиназы работают как ножницы, вырезая и скрепляя конкретные участки ДНК в клетке. Конкретные ферменты, которые используются в этой научной работе, распознают два шаблона в цепочке ДНК, каждый длиной между 30 и 50 базовыми парами. Как только рекомбиназа находит целевые фрагменты, она вырезает всю ненужную ДНК между ними и соединяет концы двойной спирали. Такая техника генетического редактирования BLADE похожа на известную технику CRISPR.

Для проектирования генетических цепей применяется традиционная клеточная механика: цепочка ДНК переписывается в РНК, а затем РНК транслируется в соответствующие белки. Началом и окончанием работы по трансляции генов в белки управляют соответствующие фрагменты ДНК. Один из них — промоутер — сигнализирует о начале операции, и та продолжается, пока цепочка ДНК не дойдёт до ещё одного фрагмента, который сигнализирует о прекращении операции.

Авторы научной работы говорят, что фреймворк BLADE, в отличие от предыдущих разработок, требует минимальной оптимизации со стороны биопрограммиста. Он готов прокладывать цепи с большим количеством входных и выходных операндов без увеличения количества элементов транскрипции, то есть не увеличивая сложность цепи.

Чтобы проверить фреймворк в действии, исследователи спроектировали и внедрили более 100 разных функциональных вычислительных цепей, в том числе провели самые сложные логические операции, которые когда-либо выполнялись в живых клетках.

Например, на иллюстрации показано, как сайт-специфические рекомбинации тирозина и интегразы серина позволяют сконструировать булеву функцию AND с несколькими входными операндами.

Создан фреймворк BLADE для прокладки вычислительных цепей в ДНК млекопитающих и человека

(a) Рекомбинации осуществляют простые логические операции BUF через вырезание или инверсию; (b) Проверка эффективности всех рекомбинаций для логических операций BUF; (с) Логическая операция AND с шестью входными операндами

Возможности фреймворка BLADE этим не ограничиваются. Он позволяет создавать гораздо более сложные вычислительные цепи. На следующей иллюстрации показана программируемая логика устройства хранения, которое можно запрограммировать с помощью сайт-специфических рекомбиназ в клетке млекопитающего.

Создан фреймворк BLADE для прокладки вычислительных цепей в ДНК млекопитающих и человека


Учёные сконструировали 113 разных цепей, из которых 96,5% успешно функционировали. Это значительно больше, чем привычный для генной инженерии показатель успешности 25%.

Разработка фреймворка BLADE имеет важное значение для синтетической биологии. Учёные проложили в ДНК млекопитающих более 100 разных вычислительных цепей, большинство из которых реализовано впервые. Хотя в данной работе не реализовано каких-то полезных вычислительных систем, но исследователи предложили универсальную технику программирования, которую могут использовать коллеги для реализации конкретных прикладных приложений. Программируемые клетки можно использовать в различных сферах: от лечения рака до создания биологических тканей, которые по команде замещают износившиеся части организма.

До сегодняшнего дня эксперименты с программированием клеток, в основном, велись на клетках E.coli и других бактерий, потому что их генами относительно легко манипулировать. Сейчас подход синтетической биологии расширен на клетки млекопитающих и человека.

Научная работа опубликована 27 марта 2017 года в журнале Nature Biotechnology

0 не понравился
6 понравился пост
 
Незарегистрированные посетители не могут оценивать посты
 
 
 
 

 
 
 
 

Комментарии

 
 

 
 
 
boroda3
Дата:
(4 апреля 2017 21:02)
#1
это исключительная редкость в научной литературе

К сожалению, далеко не все публикуется открыто. Чем более интересна работа, тем меньше вероятность ее публикации. В лучшем случае - краткое сообщение, а подробности - "коммерческая тайна". А иногда - и военная, с полным умолчанием о самом факте.


Программируемые клетки можно использовать в различных сферах: от лечения рака до создания биологических тканей, которые по команде замещают износившиеся части организма.

Можно. Но в первую очередь обязательно используют как оружие. По команде можно и здоровые части заместить или вывести из строя. И сделать это проще, чем лечить, ибо ломать - не строить.
Томск [ссылка]
0 / 0
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 

Информация

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Оставлять свои CRAZY комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
Пожалуйста пройдите простую процедуру регистрации или авторизируйтесь под своим логином. Также вы можете войти на сайт, используя существующий профиль в социальных сетях (Вконтакте, Одноклассники, Facebook, Twitter и другие)

 
 
 
 
 
Наверх