p A expressão gênica é fundamental para a vida, onde cada célula ativa e desativa genes específicos. Assim, um dispositivo autônomo que pudesse controlar a alternância liga-desliga teria grande valor no atendimento médico. p Os circuitos genéticos sintéticos são uma tecnologia para controlar a expressão gênica e programar células para desempenhar as funções desejadas. Portanto, aumentar a complexidade do circuito genético nos permitirá controlar o destino das células com mais precisão.

p Contudo, a complexidade dos circuitos genéticos permanece baixa. Isto é porque, em sistemas convencionais de reação-difusão, as enzimas e substratos são fornecidos separadamente, e a ligação não específica das enzimas aos substratos causa interferência não intencional entre os diferentes circuitos.

p Pesquisadores liderados pela Universidade de Osaka, em um projeto de pesquisa conjunto com a Universidade de Tóquio, Universidade de Kyoto, e a Universidade Waseda, construiu chips lógicos de genes integrados chamados de "nanochips de genes". Usando fatores integrados nos nanochips, esses nanochips independentes podem ligar e desligar genes dentro de um único chip, evitando crosstalk não intencional.

p Os pesquisadores mostraram as respostas autônomas dos nanochips em células artificiais:sensoriamento ambiental, computação de informações e saída de produto no nível de chip único. Os resultados de suas pesquisas foram publicados em Nature Nanotechnology .

p A nanotecnologia de DNA é um método versátil usado para construir estruturas personalizadas e controlar layouts moleculares precisos. Os pesquisadores usaram uma folha retangular (90 nm de largura, 60 nm de profundidade, 2 nm de altura), e enzima integrada, RNA polimerase (RNAP, uma enzima que sintetiza RNA a partir de um molde de DNA), e substratos de genes-alvo múltiplos.

p A capacidade de nano-layout da nanotecnologia de DNA permite ao pesquisador projetar racionalmente os níveis de expressão gênica, alterando as distâncias intermoleculares entre a enzima e os genes alvo, afetando assim a eficiência de colisão e reação subsequente.

p Os pesquisadores integraram ainda mais os sensores. Idealmente, um sensor capaz de detectar qualquer tipo de sinal deve ter limitações mínimas de projeto. Contudo, métodos convencionais sofreram de várias limitações (por exemplo, materiais). Isto é porque, em circuitos genéticos convencionais, o sensor é parte do substrato da enzima (por exemplo, DNA na transcrição; veja a Nota para detalhes).

p Por outro lado, neste estudo, a parte do sensor era independente da reação enzimática. Assim, os pesquisadores podem usar qualquer material de sensor que altere a distância intermolecular efetiva no reconhecimento de sinal, permitindo a construção de vários sensores respondendo a sinais distintos (microRNAs, compostos químicos, proteínas e luz). Além disso, combinando e integrando sensores que respondem a sinais distintos, os pesquisadores conseguiram foto-reprogramação dos circuitos genéticos.

p Finalmente, o nanochip permitiu aos pesquisadores simplificar a construção de um circuito genético que respondeu a uma célula artificial, uma gota de água em óleo, e eles poderiam calcular seu perfil de miRNA, simplesmente misturando os chips ortogonais, expandindo o poder do circuito genético.

p O autor correspondente Hisashi Tadakuma diz:"Todos os fatores necessários para as reações de transcrição estão neste nanochip integrado, tão sensoriamento ambiental, computação de informação, e a saída do produto pode ser concluída no nível de um único chip. No futuro próximo, nanochips autônomos serão úteis na manutenção da célula no estado saudável por meio do controle da expressão gênica espacial e temporalmente, que irá incorporar o ideal do ditado 'prevenção é a melhor cura'. "

p Idealmente, um sensor capaz de detectar qualquer tipo de sinal deve ter limitações mínimas de projeto. Contudo, métodos convencionais sofreram de várias limitações (por exemplo, materiais). Isto é porque, em circuitos genéticos convencionais, a eficiência de ligação entre uma enzima como RNAP (chave) e um gene alvo (bloqueio de alvo), especificamente uma sequência promotora na molécula de DNA, é controlada por fatores de transcrição (reguladores). Como reguladores e enzimas devem se ligar ao sensor (região do operador) perto do bloqueio alvo, o material do sensor tem que ser um substrato dos reguladores e enzimas (por exemplo, DNA na transcrição), e o regulador deve ser uma proteína de ligação ao DNA. Assim, tanto o regulador (sinal) quanto o sensor têm limitações de material.

p Contudo, neste estudo, a frequência de ligação e a reação subsequente são controladas por (1) a distância intermolecular entre uma enzima e um gene alvo, e (2) as características do chaveiro (por exemplo, rigidez, comprimento). Assim, a parte do sensor é independente da reação enzimática, e o sensor e reguladores não têm limitações materiais, permitindo que os vários sensores respondam a sinais distintos (compostos químicos, proteínas e luz).