Доктор в камере
«Доктор в клетке» — это передовая биотехнологическая концепция, предложенная в 1998 году Эхудом Шапиро из Института Вейцмана . Он предполагает создание автономных программируемых молекулярных устройств внутри человеческого тела, выполняющих диагностические и терапевтические функции. Первоначальный проект предлагал молекулярные машины Тьюринга, способные заменить традиционные лекарства «умными лекарствами», состоящими из молекулярных вычислительных устройств, запрограммированных с использованием медицинских знаний для анализа окружающей среды и разработки соответствующих методов лечения.
Чтобы реализовать это видение, Шапиро и его коллега Коби Бененсон разработали молекулярные реализации в Институте Вейцмана. В их число входили программируемый автономный автомат с закодированными в ДНК правилами ввода и перехода, а также стохастический автомат, который взаимодействует с окружающей средой, высвобождая молекулы лекарств в ответ на раковые маркеры.
В 2009 году Шапиро и аспирант Том Ран создали прототип молекулярной системы, способной выполнять простые логические выводы, используя нити ДНК. Эта система представляла собой первую реализацию простого языка программирования на молекулярном уровне, демонстрируя потенциал для точного нацеливания и лечения конкретных типов клеток путем одновременного выполнения миллионов вычислений.
Дальнейшие достижения были направлены на то, чтобы сделать вычислительные устройства ДНК доступными через компилятор, соединяющий языки программирования высокого уровня с вычислительным кодом ДНК. Шапиро и Ран также разработали генетическое устройство, действующее внутри бактериальных клеток для идентификации факторов транскрипции и производства видимых маркеров или терапевтических белков.
Начальная работа
[ редактировать ]Концепция была впервые представлена в 1998 году Эхудом Шапиро из Института Вейцмана как концептуальный проект автономной программируемой молекулярной машины Тьюринга , реализованной в то время как механическое устройство, и видение того, как такие машины могут вызвать революцию в медицине. [1]
Концепция предполагала, что «умные» лекарства, состоящие из автономных молекулярных вычислительных устройств, запрограммированных с использованием медицинских знаний, могут заменить современные лекарства, анализируя молекулярное состояние их окружения (входные данные) на основе запрограммированных медицинских знаний (программы), и, если это будет сочтено необходимым, выпустить Молекула лекарства в ответ (выход). [2]
Первые шаги к реализации видения
[ редактировать ]Чтобы реализовать эту идею, Шапиро организовал в Вейцмане «мокрую лабораторию», к которой присоединился Коби Бененсон. В течение нескольких лет Бененсон, Шапиро и коллеги предприняли шаги к реализации этого видения: (1) Молекулярная реализация программируемого автономного автомата, в котором входные данные были закодированы как молекула ДНК , « программное обеспечение » (правила перехода автомата) было закодировано короткие молекулы ДНК и « оборудование » было сделано из ферментов , обрабатывающих ДНК . [3] (2) Упрощенная реализация автомата, в котором в качестве топлива используется входная молекула ДНК. [4] (3) Стохастический молекулярный автомат , в котором вероятности перехода можно запрограммировать, варьируя концентрацию «программных» молекул, в частности, относительные концентрации молекул, кодирующих конкурирующие правила перехода. [5] И (4) расширение стохастического автомата механизмами ввода и вывода, позволяющими ему взаимодействовать с окружающей средой заранее запрограммированным образом и высвобождать конкретную молекулу лекарства от рака при обнаружении уровней экспрессии мРНК, характерных для конкретного рака. [6] Эти биомолекулярные компьютеры были продемонстрированы в пробирке, в которой несколько маркеров рака были предварительно смешаны для имитации различных комбинаций маркеров. Биомолекулярные компьютеры определили наличие маркеров рака (одновременно и независимо идентифицируя маркеры мелкоклеточного рака легких и маркеры рака простаты ). Компьютер, оснащенный медицинскими знаниями, проанализировал ситуацию, диагностировал тип рака и затем выпустил соответствующее лекарство.
ДНК-компьютеры, способные делать простые логические выводы
[ редактировать ]В 2009 году Шапиро и аспирант Том Ран представили прототип автономной программируемой молекулярной системы, основанной на манипулировании нитями ДНК , которая способна выполнять простые логические выводы . [7] Этот прототип является первым простым языком программирования, реализованным на молекулярном уровне. Внедренная в организм, эта система обладает огромным потенциалом для точного нацеливания на определенные типы клеток и проведения соответствующего лечения, поскольку она может одновременно выполнять миллионы вычислений и «думать» логически. Команда профессора Шапиро стремится заставить эти компьютеры выполнять очень сложные действия и отвечать на сложные вопросы, следуя логической модели, впервые предложенной Аристотелем более 2000 лет назад. Биомолекулярные компьютеры чрезвычайно малы: три триллиона компьютеров могут поместиться в одну каплю воды. Если бы компьютерам было дано правило «Все люди смертны» и факт «Сократ — человек», они бы ответили: «Сократ смертен». Команда проверила множество правил и фактов, и биомолекулярные компьютеры каждый раз отвечали на них правильно.
«Удобные» ДНК-компьютеры
[ редактировать ]Команда также нашла способ сделать эти микроскопические вычислительные устройства « удобными» для пользователя , создав компилятор — программу, соединяющую язык компьютерного программирования высокого уровня и вычислительный код ДНК. Они стремились разработать гибридную систему in silico / in vitro , которая поддерживает создание и выполнение программ молекулярной логики аналогично электронным компьютерам, позволяя любому, кто умеет управлять электронным компьютером, не имея абсолютно никакого опыта в молекулярной биологии , работать на биомолекулярном компьютере.
ДНК-компьютеры с помощью вычислительных бактерий
[ редактировать ]В 2012 году профессору Эхуду Шапиро и доктору Тому Рану удалось создать генетическое устройство, которое работает независимо в бактериальных клетках . [8] Устройство запрограммировано на идентификацию определенных параметров и реагирование на них. Устройство ищет факторы транскрипции — белки , контролирующие экспрессию генов в клетке. Неисправность этих молекул может нарушить экспрессию генов . в раковых клетках Например, факторы транскрипции, регулирующие клеток рост и деление , не функционируют должным образом, что приводит к усилению деления клеток и образованию опухоли . Устройство, состоящее из последовательности ДНК, вставленной в бактерию , выполняет « перекличку » транскрипционных факторов . Если результаты соответствуют заранее запрограммированным параметрам, он реагирует созданием белка, излучающего зеленый свет , что является видимым признаком «положительного» диагноза. В последующих исследованиях ученые планируют заменить светоизлучающий белок на тот, который повлияет на судьбу клетки, например, на белок, который может заставить клетку совершить самоубийство. Таким образом, устройство будет вызывать самоуничтожение только «положительно» диагностированных клеток. После успеха исследования бактериальных клеток исследователи планируют проверить способы привлечения таких бактерий в качестве эффективной системы для удобного введения в организм человека в медицинских целях (что не должно быть проблематичным, учитывая нашу естественную природу). Микробиом ; недавние исследования показывают, что в человеческом организме уже в 10 раз больше бактериальных клеток, чем человеческих клеток, которые симбиотически разделяют пространство нашего тела ) . Еще одна цель исследования — запустить аналогичную систему внутри клеток человека, которые намного сложнее бактерий.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Шапиро Э., 1999 Механическая машина Тьюринга: проект биомолекулярного компьютера. В докладе, представленном в сб. 5-й Межд. Встреча по компьютерам на основе ДНК, 14–15 июня 1999 г. Провиденс, Род-Айленд: AMS Press.
- ^ Шапиро, Эхуд. «Механическая машина Тьюринга: проект биомолекулярного компьютера». Интерфейс Фокус 2.4 (2012): 497-503.
- ^ К., Бененсон Т., Пас-Элицур Р., Адар Э., Кейнан З., Ливне и Э. Шапиро. (2001) Программируемая и автономная вычислительная машина из биомолекул . Природа 414, 430-434.
- ^ Бененсон Ю., Адар Р., Пас-Элизур Т., Ливне З., Шапиро Э. (2003) Молекула ДНК обеспечивает вычислительную машину как данными, так и топливом , Proc. Натл. акад. наук. США.
- ^ Адар Р., Бененсон Ю., Линшиз Г., Рознер А, Тишби Н. и Шапиро Э. (2004) Стохастические вычисления с биомолекулярными автоматами . Учеб. Натл. акад. наук. США, 101, 9960-65.
- ^ Яаков Бененсон, Биньямин Гил, Ури Бен-Дор, Ривка Адар и Эхуд Шапиро, (2004), Автономный молекулярный компьютер для логического контроля экспрессии генов , Nature, 429, 423-429.
- ^ Том Ран, Шай Каплан и Эхуд Шапиро, (2009), Молекулярная реализация простых логических программ , Nature Nanotechnology, август 2009 г.
- ^ Том Ран, Йонатан Дуек, Лилах Майло, Эхуд Шапиро. Программируемое устройство на основе NOR для анализа профиля транскрипции . Научные отчеты, 2012.