O nexo interdisciplinar de biologia e engenharia, conhecida como biologia sintética, está crescendo a um ritmo acelerado, abrindo novas perspectivas que dificilmente poderiam ser imaginadas há pouco tempo.
Em uma nova pesquisa, Alex Green, professor do Instituto Biodesign da ASU, demonstra como as células vivas podem ser induzidas a realizar cálculos na forma de pequenos robôs ou computadores.
Os resultados do novo estudo têm implicações significativas para o design inteligente de medicamentos e a entrega inteligente de medicamentos, a produção de energia verde, tecnologias de diagnóstico de baixo custo e até mesmo o desenvolvimento de nanomáquinas futuristas capazes de caçar células cancerosas ou desligar genes aberrantes.
"Estamos usando interações de ARN-RNA muito previsíveis e programáveis para definir o que esses circuitos podem fazer", diz Green. "Isso significa que podemos usar o software para projetar seqüências de RNA que se comportem da maneira que queremos em uma célula. Isso torna o processo de design muito mais rápido".
O estudo aparece na edição on-line avançada da revista Nature .
Designer RNA
A abordagem descrita usa circuitos compostos de ácido ribonucleico ou ARN. Esses projetos de circuitos, que se assemelham a circuitos eletrônicos convencionais, se autoassemblam em células bacterianas, permitindo que eles percebessem as mensagens recebidas e respondessem a elas produzindo uma saída computacional específica (neste caso, uma proteína).
No novo estudo, os circuitos especializados conhecidos como portões lógicos foram projetados no laboratório, depois incorporados nas células vivas. Os pequenos interruptores de circuito são tropeçados quando as mensagens (na forma de fragmentos de ARN) se ligam a suas seqüências de RNA complementares no circuito celular, ativando o gate logico e produzindo a saída desejada.
Os switches RNA podem ser combinados de várias maneiras para produzir gateways lógicos mais complexos capazes de avaliar e responder a múltiplas entradas, assim como um computador simples pode levar várias variáveis e executar operações seqüenciais como adição e subtração para alcançar um resultado final.
O novo estudo melhora drasticamente a facilidade com que a computação celular pode ser realizada. A abordagem única do RNA para produzir nanodevídeos celulares é um avanço significativo, já que os esforços anteriores exigiam o uso de intermediários complexos, como as proteínas. Agora, as peças de ribocomputação necessárias podem ser prontamente projetadas no computador. As propriedades simples de emparelhamento de base das quatro letras de nucleotídeo do RNA (A, C, G e U) asseguram a auto-montagem previsível e o funcionamento dessas partes dentro de uma célula viva.
O trabalho da Green nesta área começou no Instituto Wyss em Harvard, onde ele ajudou a desenvolver o componente central usado nos circuitos celulares, conhecido como um interruptor de RNA toehold. O trabalho foi realizado enquanto o Green era um pós-doc que trabalha com o especialista em nanotecnologia Peng Yin, juntamente com os biólogos sintéticos James Collins e Pamela Silver, que são todos co-autores no novo artigo. "Os primeiros experimentos foram em 2012", diz Green. "Basicamente, os interruptores toehold funcionaram tão bem que queríamos encontrar uma maneira de explorá-los melhor para aplicações celulares".
Depois de chegar à ASU, o primeiro estudante de pós-graduação da Green, Duo Ma, trabalhou em experimentos no Instituto Biodesign, enquanto outro pós-doutorado, Jongmin Kim continuou um trabalho semelhante no Instituto Wyss. Ambos são também co-autores do novo estudo.
Chip Pentium da natureza
A possibilidade de usar DNA e RNA, as moléculas da vida, para realizar computações semelhantes a computadores foi demonstrada pela primeira vez em 1994 por Leonard Adleman, da Universidade do Sul da Califórnia. Desde então, o progresso rápido avançou consideravelmente o campo e, recentemente, essa computação molecular foi realizada dentro das células vivas. (As células bacterianas geralmente são empregadas para este propósito, pois são mais simples e fáceis de manipular.)
A técnica descrita no novo artigo aproveita o fato de que o RNA, ao contrário do DNA, é de cadeia simples quando produzido nas células. Isso permite aos pesquisadores projetar circuitos de RNA que podem ser ativados quando uma cadeia de ARN complementar se liga com uma seqüência de RNA exposta no circuito projetado. Esta ligação de fios complementares é regular e previsível, com os nucleótidos A sempre emparelhados com U e C sempre emparelhados com G.
Com todos os elementos de processamento do circuito feitos usando RNA, que pode assumir um número astronômico de seqüências potenciais, o poder real do método recém-descrito reside na sua capacidade de executar muitas operações ao mesmo tempo. Essa capacidade de processamento paralelo permite uma computação mais rápida e mais sofisticada, ao mesmo tempo que faz uso eficiente dos recursos limitados da célula.
Resultados lógicos
No novo estudo, os portões lógicos conhecidos como AND, OR e NOT foram projetados. Um portão AND produz uma saída na célula somente quando duas mensagens RNA A AND B estão presentes. Um portão OR responde a A OU B, enquanto um portão NÃO bloqueará a saída se uma dada entrada de RNA estiver presente. Combinar esses portões pode produzir uma lógica complexa capaz de responder a múltiplas entradas.
Usando as chaves RNA toehold, os pesquisadores produziram os primeiros dispositivos ribocomputing capazes de ET de entrada de quatro entradas e um dispositivo de 12 entradas capaz de realizar uma combinação complexa de lógica AND, OR e NOT, conhecida como expressão de forma normal disjuntiva. Quando o portal lógico encontra as sequências de ligação de ARN corretas que levam à ativação, um interruptor de toehold abre e o processo de tradução para proteína ocorre. Todas essas funções de detecção e saída de circuito podem ser integradas na mesma molécula, tornando os sistemas compactos e mais fáceis de implementar em uma célula.
A pesquisa representa a próxima fase do trabalho em andamento usando os switches altamente versáteis de RNA toehold. Em trabalhos anteriores, Green e seus colegas demonstraram que um conjunto de switches de baixo custo baseado em papel de RNA poderia atuar como uma plataforma altamente precisa para diagnosticar o vírus Zika. A detecção de ARN viral pela matriz ativou os interruptores toehold, provocando a produção de uma proteína, que registrou como uma alteração de cor na matriz.
O princípio básico do uso de dispositivos baseados em RNA para regular a produção de proteína pode ser aplicado a praticamente qualquer entrada de RNA, inaugurando uma nova geração de diagnósticos precisos e de baixo custo para uma ampla gama de doenças. A abordagem livre de células é particularmente adequada para ameaças emergentes e durante os surtos de doenças no mundo em desenvolvimento, onde os recursos médicos e o pessoal podem ser limitados.
O computador por dentro
De acordo com a Green, a próxima etapa da pesquisa se concentrará no uso da tecnologia de RNA toehold para produzir as chamadas redes neurais dentro de células vivas - circuitos capazes de analisar uma série de entradas excitatórias e inibitórias, em média e produzindo uma saída uma vez que Um determinado limiar de atividade é alcançado, da mesma forma que um neurônio projeta sinais recebidos de outros neurônios. Em última análise, os pesquisadores esperam induzir as células a se comunicar uns com os outros através de sinais moleculares programáveis, formando uma rede verdadeiramente interativa e semelhante ao cérebro.
"Porque estamos usando RNA, uma molécula universal da vida, sabemos que essas interações também podem funcionar em outras células, então nosso método fornece uma estratégia geral que pode ser portada para outros organismos", diz Green, aludindo a um futuro no qual As células humanas se tornam entidades totalmente programáveis com capacidades biológicas extensivas.
Fonte: https://phys.org/
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