p Usando fitas de ácido nucleico, cientistas demonstraram operações básicas de computação dentro de uma célula viva de mamífero. A pesquisa pode levar a um sistema de detecção artificial que pode controlar o comportamento de uma célula em resposta a estímulos como a presença de toxinas ou o desenvolvimento de câncer. p A pesquisa usa deslocamento de fita de DNA, uma tecnologia que tem sido amplamente usada fora das células para o projeto de circuitos moleculares, motores e sensores. Os pesquisadores modificaram o processo para fornecer portas lógicas "AND" e "OR" capazes de operar dentro das células vivas e interagir com o RNA mensageiro nativo (mRNA).

p As ferramentas que desenvolveram podem fornecer uma base para biocomputadores capazes de sentir, analisar e modular a informação molecular no nível celular. Com o apoio da Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) e da National Science Foundation (NSF), a pesquisa foi relatada em 21 de dezembro na revista Nature Nanotechnology .

p "A ideia é ser capaz de pegar a lógica usada em computadores e transportar essa lógica para as próprias células, "disse Philip Santangelo, professor associado do Departamento de Engenharia Biomédica Wallace H. Coulter da Georgia Tech and Emory University. "Esses dispositivos podem detectar um RNA aberrante, por exemplo, e, em seguida, interromper a tradução celular ou induzir a morte celular. "

p As reações de deslocamento de cadeia são o equivalente biológico das chaves ou portas que formam a base da computação baseada em silício. Eles podem ser programados para ligar ou desligar em resposta a um estímulo externo, como uma molécula. Um portão "AND", por exemplo, mudaria quando ambas as condições fossem atendidas, enquanto uma porta "OU" mudaria quando qualquer uma das condições fosse satisfeita.

p Nos interruptores que os pesquisadores usaram, uma molécula repórter fluoróforo e sua molécula complementar de extinção foram colocadas lado a lado para criar um modo "desligado". A ligação do RNA em uma das fitas, em seguida, deslocou uma parte do ácido nucleico, separando as moléculas e permitindo a geração de um sinal que criou um modo "on". Dois modos "ligados" em fitas de ácido nucleico adjacentes criaram uma porta "E".

p "Demonstrar portas lógicas individuais é apenas o primeiro passo, "disse Georg Seelig, professor assistente de ciência da computação e engenharia e engenharia elétrica na Universidade de Washington. "A longo prazo, queremos expandir essa tecnologia para criar circuitos com muitas entradas, como aqueles que construímos em ambientes sem células. "

p Os pesquisadores usaram ligantes projetados para se ligarem a porções específicas das fitas de ácido nucleico, que podem ser criados conforme desejado e produzidos por fornecedores comerciais.

p "Sentimos moléculas e mostramos que podíamos responder a elas, "disse Santangelo." Nós mostramos que poderíamos utilizar moléculas nativas na célula como parte do circuito, embora não tenhamos sido capazes de controlar uma célula ainda. "

p Fazer com que as operações básicas de computação funcionem dentro das células não foi uma tarefa fácil, e a pesquisa levou vários anos para ser realizada. Entre os desafios estavam colocar os dispositivos nas células sem acionar os interruptores, fornecendo operação rápida o suficiente para ser útil, e não matar as linhas de células humanas que os pesquisadores usaram no laboratório.

p "Tivemos que mudar quimicamente as sondas para fazê-las funcionar dentro da célula e torná-las estáveis ​​o suficiente dentro das células, "disse Santangelo." Descobrimos que essas reações de deslocamento da fita podem ser lentas dentro do citosol, para fazê-los trabalhar mais rápido, construímos uma estrutura no RNA mensageiro que nos permitiu amplificar os efeitos. "

p Em última análise, os computadores de ácido nucleico operaram conforme desejado, e a próxima etapa é usar sua comutação para desencadear a produção de produtos químicos de sinalização que induziriam a reação desejada das células. A atividade celular é normalmente controlada pela produção de proteínas, portanto, os interruptores de ácido nucléico terão que ter a capacidade de produzir moléculas de sinalização suficientes para induzir uma mudança.

p "Precisamos gerar o suficiente de qualquer sinal final necessário para fazer a célula reagir, "Santangelo explicou." Existem métodos de amplificação usados ​​na tecnologia de deslocamento de fios, mas nenhum deles foi usado até agora em células vivas. "

p Mesmo sem essa etapa final, os pesquisadores sentem que construíram uma base que pode ser usada para atingir o objetivo.

p "Fomos capazes de projetar algumas das construções lógicas básicas que poderiam ser usadas como blocos de construção para trabalhos futuros, "Santangelo disse." Nós sabemos as concentrações de produtos químicos e os requisitos de design para componentes individuais, então agora podemos começar a montar um conjunto mais complicado de circuitos e componentes. "

p Células, claro, já sabe como sentir as moléculas tóxicas e as tendências malignas de desenvolvimento, e, em seguida, agir. Mas essas salvaguardas podem ser desativadas por vírus ou células cancerosas que sabem como contornar os processos celulares naturais.

p "Nosso mecanismo apenas ajudaria as células a fazer isso, "Santangelo disse." A ideia é adicionar ao maquinário existente para dar às células capacidades aprimoradas. "

p Aplicar uma abordagem de engenharia ao mundo biológico diferencia este exemplo de outros esforços para controlar o maquinário celular.

p "O que torna os circuitos de deslocamento de fita de DNA únicos é que todos os componentes são projetados de forma totalmente racional no nível da sequência de DNA, "disse Seelig." Isso realmente torna esta tecnologia ideal para uma abordagem de engenharia. Em contraste, muitas outras abordagens para controlar a maquinaria celular dependem de componentes que são emprestados da biologia e não são totalmente compreendidos. "