Gerçek "karbon tabanlı devreler": hücreleri bilgisayara dönüştürmek için protein mantık kapılarını kullanın | Bilim
Aufei Tapınağı'ndan Bian Ce Balık ve Koyun Qubit Raporu | Genel Hesap QbitAI
Silikon temelli yaşam ulaşılamaz, ancak karbon temelli devreler burada ve hayat var.
Proteinlerin bilgisayarların temel birimlerini de oluşturabileceği ortaya çıktı.Silikon tabanlı devreler gibi, bu "protein devresi" çeşitli sorumlu mantık devrelerini tasarlamak için birleştirilebilir.
O andan itibaren, proteinlerin yaşam sürecini, devre anahtarlarını kontrol ederken olduğu gibi kontrol edebiliriz.
Washington Üniversitesi'nden araştırma ekibi, sıfırdan moleküler mantık kapıları oluşturmak için yapay proteinler kullandı ve çift girişli ve üç girişli AND kapılarını, OR kapılarını, NAND kapılarını, NOR kapılarını, XOR kapılarını vb. Gerçekleştirdi.
Bu araştırma Science'ın son sayısında yayınlandı.
Silikon devrelerde yüksek seviye 1, düşük seviye 0 anlamına gelir. Zekice tasarlanmış protein, bir dizi 01 sinyali gibi, bir dizi farklı kombinasyon aracılığıyla belirli işlevleri gerçekleştirir.
Nihai hedefleri bir protein bilgisayarı oluşturmak değil, insan T hücrelerinde gen ekspresyonunu düzenlemek için mantık kapılarını kullanmaktır, böylece genetik olarak değiştirilmiş T hücreleri daha uzun yaşayabilir ve kanser hücresi tedavisinin güvenliğini ve dayanıklılığını artırabilir.
Makalenin yazarı, yeni protein tasarımının karmaşıklığının gerçek protein birleşimine yakın olduğunu söyledi.
(Bu araştırma) karmaşık biyolojik devrelerin programlanmasında önemli bir adımdır.
Dahası, Chen Zibo'ya göre ekip, bu yöntemin çok seviyeli bir devre oluşturmak için kullanılıp kullanılamayacağını araştırmaya çoktan başladı.
Biyolojik işlevleri kontrol etmek için mantık kapılarını kullanın
Protein devresinin temel girişi, CIPHR (işbirliğine dayalı olarak indüklenen protein heterodimeri) tarafından kontrol edilir.
Sözde CIPHR, her biri belirli bir pozisyondaki bir girdiye karşılık gelen iki farklı proteinden oluşan bir polimerdir. Farklı kombinasyonlar, devrenin farklı pozisyonlarında 1'e eşdeğerdir.
CIPHR'nin mantık kapıları taşınabilir, bu da farklı biyolojik işlevleri kontrol etmek için mantık kapılarını kullanabileceğimiz anlamına geliyor.
Deneyde, araştırmacılar dört çift heterodimer modülü tasarladılar ve farklı kontrol işlevlerine sahip iki mantık kapısı inşa ettiler. Biri lusiferazın katalitik aktivitesini izole etmek için kullanılır, diğeri ise ilkel insan T hücrelerinde gen ekspresyonu için kullanılır.
Lusiferazı kontrol etme sisteminde, karşılık gelen nano alana bir protein yerleştirdiler ve lüminesansın in vitro translasyonu ve izlenmesiyle mantık kapısının açılıp açılmadığını test ettiler.
İnsan bağışıklık T hücrelerinin gen ekspresyonunu kontrol eden mantık kapısı, izole edilmiş TALE-KRAB bastırma sistemine aktarılır.
Bir heterodimer kullanırsanız, (1) girdiğiniz sürece, bir NOT geçidine eşdeğer olan inhibisyon (0) üretecektir.
Bir protein monomeri kullanılırsa, herhangi bir protein (1) 'e girdiği sürece, orijinal TALE-KRAB bağlanmasını yok edecek ve inhibisyonu (1) iptal ederek OR kapısının işlevini gerçekleştirecektir.
NOT kapısı ve OR geçidi, akış sitometrisi ile saptanan insan T hücrelerinde TIM3 proteininin ekspresyonunu kontrol etmek için kullanılır.
Yukarıdakiler sadece iki giriş için geçerlidir, giriş 3 kanala yükseltilirse benzerdir. Ancak daha fazla dimerler kullanılır ve mantık kapısı içinde daha fazla protein kullanılır.
3 yollu AND geçidi için 4 çift protein paylaşılır ve mantık kapısında 1 ve 2'de bulunur. Yalnızca 1'-4 , 4-3 ve 3-2 aynı anda girilerek 1: 1-4 : 4-3: 3-2: 1 biçimlendirildiğinde mantık geçidi etkinleştirilebilir.
Giriş OR geçidinin prensibi benzerdir.
Mantık kapılarını tasarlamak için proteinlerin kullanımı uzun süredir var olmasına rağmen, heterodimer modülü, de novo protein tasarımından yararlanan yepyeni bir teknolojidir.
Protein modülünün yeniden tasarlanmasıyla, neredeyse aynı genel topolojiye sahip daha fazla mantık kapısı bileşeni üretilebilir.
Protein hidrojen bağı ağının spesifik kodlaması, benzer yapılara sahip monomerlerin geniş bir bağlanma afinitesine sahip olmasına izin verir, bu da rekabetçi bağlanmaya dayalı daha karmaşık kapıların yapılmasına izin verir.
Mantık geçidinin tasarım bileşeni ultra kararlı bir protein olduğundan, ek bir hücresel mekanik yapıya gerek yoktur.Protein mantık kapısı hücrenin içinde veya dışında olmasına bakılmaksızın çalışabilir.
Makalenin ilk yazarı Chen Zibo, "Hücresiz özler, maya hücreleri ve T hücrelerinden saflaştırılmış bileşenler ile işlevini kanıtladık" dedi.
Nasıl tasarlanır?
Öyleyse, böyle bir "karbon temelli devre" özel olarak nasıl tasarlanır?
Prensip olarak, çeşitli mantık kapılarını sıfırdan tasarlamak için bir dizi heterodimer molekülü kullanılabilir.
Örneğin, bir heterodimer çifti verildiğinde A ve A , B ve B ve C ve C . A 've B'yi ve B' ile C'yi genetik olarak birleştirerek, A ve C 'arasındaki ilişkiyi düzenleyen bir AND geçidi inşa edilebilir.
İlgili koşullar şunlardır:
Birincisi, birbirine ortogonal olan birçok heterodimer çifti olmalıdır, böylece kapının karmaşıklığı tek tek elemanların sayısıyla sınırlı kalmaz.
İkincisi, bileşenler modüler ve yapı olarak benzer olmalıdır.
Üçüncüsü, tek bir bileşenin birden çok farklı, afinitesi ayarlanabilir ortakla birleştirme yeteneğine sahip olması gerekir, böylece girdi, önceden var olan düşük afiniteli etkileşimleri bozarak ters çevirme işlemleri gerçekleştirebilir.
Dördüncü olarak, etkileşim işbirliğine dayalı olmalıdır, böylece kapı aktivasyonu girdideki stokiyometrik dengesizliklere duyarlı değildir.
Özellikle bu çalışmada, 1. koşulu karşılamak için araştırmacılar, mantık kapılarını oluşturmak için hidrojen bağı ağı aracılı özgüllüğü ve karşılıklı olarak ortogonal tasarımı olan bir dizi heterodimer kullandılar.
Heterodimer arayüzü, koşul 2'yi karşılamak için aynı 4 sarmal demet topolojisini paylaşır.
Paylaşılan etkileşim arayüzü, heterodimer çiftleri arasındaki çapraz konuşma miktarını sınırlar, böylece bağlanma afinitesi hiyerarşisi koşul 3'ü karşılayabilir.
Son olarak, koşul 4, monomer füzyonları (yukarıdaki örnekte bahsedilen A 've B, B' ve C) oluşturularak karşılanır.
Bundan sonra, A + A'-B + B 'sistemi indüklenmiş dimerizasyon, A ve B' monomerler ve A'-B'ye dimer adı verilir.
İndüklenmiş dimerizasyon sisteminin (6-kalıntı bağlayıcı) şematik diyagramı aşağıdaki gibidir.
Deneyde, dimerler sinerjistik bağlanma gösterdi.
Bu nedenle, nMS kullanarak, araştırmacılar iki dimer 1'-3 ve 3-2 've giriş olarak monomerler 1 ve 2'den oluşan çift girişli AND geçidinin (AND) işbirliğini araştırdılar.
Deneyde, araştırmacılar yalnızca çok az miktarda heterotrimer ve heterodimer gözlemledi ve bu da yöntemin yüksek sinerjiye sahip olduğunu kanıtladı.
Araştırmacılar ayrıca 1'-4 ', 4-3', 3-2 'üç girişli bir AND geçidi inşa ettiler.Sonuç, kantitatif giriş AND geçidine benzer. Tam pentamer kompleksinin bolluğu yalnızca giriş kimyasalından daha büyüktür Ölçülen konsantrasyonun konsantrasyonu hafifçe düşer.
Bu temelde, araştırmacılar 2 girişli ve 3 girişli çeşitli CIPHR mantık kapıları inşa ettiler.
Spesifik yöntem, her DHD monomerinin hedef efektör proteine genetik füzyon yoluyla bağlanmasıdır, böylece giriş (bağlı heterodimer alt birimi) efektör proteinin birlikte lokalizasyonunu veya ayrışmasını kontrol eder.
Mantık kapıları, tasarlanan protein çiftleri arasındaki homolog bağlanma ve multispesifik etkileşimleri içeren rekabetçi bağlanma yoluyla oluşturulur.
Bağışıklık hücrelerinin ömrünü uzatır
Şimdi, moleküler düzeyde yaşamı, gelecekteki tıp ve sentetik biyoloji için büyük önem taşıyan bilgisayarlarla aynı şekilde kontrol edebiliyoruz.
Washington Üniversitesi'nin araştırma ekibi, bu teknolojiyi kanser tedavisinde kullanmaya hazırlanan bir sonraki araştırma adımına çoktan başladı.
Kanser tedavisi için hedefe yönelik tedaviler CAR-T hücre terapisi, bilim adamlarının T hücre yetmezliği ile ilgili olduğuna inandıkları birçok zorluğa sahiptir.
CAR-T hücreleri olarak adlandırılan hücreler, kimerik antijen reseptörü T hücreleridir ve kimerik antijen reseptörü, biyolojik olarak tasarlanmış bir proteindir. Bilim adamları, insan vücudundan T hücrelerini çıkarır, onları spesifik olarak kanser hücrelerinin yüzey antijenlerini hedefleyecek şekilde modifiye etmek için genetik teknolojiyi kullanır ve ardından bunları tekrar hastaya girer.
Ancak genetiği değiştirilmiş T hücreleri yalnızca kısa bir süre hayatta kalabilir Washington Üniversitesi'ndeki araştırma ekibi, sinyal yanıtlarını zayıflatan protein mantık kapılarının kullanılmasının CAR-T hücrelerinin aktivitesini genişletebileceğini umuyor.
Chen Zibo, her hasta için uzun ömürlü T hücreleri oluşturmak için programlama yöntemlerini kullanmanın daha etkili kişiselleştirilmiş ilaçların doğacağı anlamına geldiğini söyledi.
Yazar hakkında
Chen Zibo, bu yıl 29 yaşında ve California Institute of Technology'deki Elowitz laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı. Şu anki araştırma yönü, proteinleri kullanarak sıfırdan mantık devreleri oluşturmak.
Singapur Ulusal Üniversitesi'nden yaşam bilimleri alanında lisans derecesi ile mezun oldu ve doktorasını 2019 yılında Washington Üniversitesi'nden aldı. Geçen yıl, Massachusetts Institute of Technology Review 35 tarafından 35 yaş altı seçildi.
Washington Üniversitesi Tıp Fakültesi'nde biyokimya profesörü ve Protein Tasarım Enstitüsü müdürü, ilgili yazar David Baker.
David Baker'ın protein tasarım oyunu Foldit'in de yazarlarından biri olduğunu belirtmekte fayda var Foldit tarafından tasarlanan protein, bilimsel araştırmacılar tarafından defalarca alıntılanmış ve şimdi yeni koronavirüse karşı tasarım yapmak için kullanılıyor.
Kağıt adresi:
https://science.sciencemag.org/content/368/6486/78
- Bitiş -
Qubit QbitAI · Toutiao İmzalı
Bize dikkat edin ve en son teknolojideki en son gelişmeleri alın
