ربات‌های مولکولی زنده به درون سلول‌ها راه پیدا می‌کنند!

در حالی که فناوری رایانش DNA طی سال‌های اخیر پیشرفت‌های قابل‌توجهی داشته، پژوهشگران به تازگی گام بزرگ دیگری در این مسیر برداشته‌اند: انتقال مدار‌های رایانش‌گر رشته‌های DNA از محیط آزمایشگاهی به درون سلول‌های زنده.

این پیشرفت، نویدبخش ظهور ربات‌های مولکولی هوشمندی است که می‌توانند به صورت مستقیم با محیط زیستی سلول‌ها تعامل داشته باشند. در مقاله‌ای که به‌تازگی در نشریه رایانش هوشمند (Intelligent Computing) منتشر شده و عنوان آن «از لوله آزمایش تا سلول: بازگشت مدار‌های رایانش گر DNA به خانه؟» است، نویسندگان به بررسی جدیدترین دستاورد‌ها در زمینه پیاده‌سازی مدار‌های DNA در فضای زنده‌ی سلول‌ها پرداخته‌اند.

در قلب این فناوری، مدار‌های رایانش‌گر رشته‌های DNA قرار دارند؛ عنصری کلیدی از فناوری نانو. این مدار‌ها از فرایند «جابجایی رشته به‌واسطه ناحیه گیرنده (toehold-mediated strand displacement)» استفاده می‌کنند؛ فرآیندی که طی آن یک رشته DNA تازه وارد به ناحیه‌ای آزاد (گیرنده) متصل می‌شود و از طریق مهاجرت شاخه‌ای، رشته قبلی را جابه‌جا می‌کند.

مدار‌هایی مانند «دروازه‌های الاکلنگی (seesaw gates)» و «واکنش‌های زنجیره‌ای هیبریداسیون (hybridization chain reactions)» امکان انجام عملیات منطقی پیچیده و تقویت سیگنال را فراهم می‌کنند. همچنین، دروازه‌های همکار (cooperative gates) که نیاز به ورودی‌های چندگانه دارند، قابلیت کنترل پیشرفته‌تری ارائه می‌دهند. این اجزا می‌توانند به‌صورت شبکه‌هایی بزرگ ترکیب شوند که همانندسازی دقیق واکنش‌های شیمیایی را ممکن می‌سازند.

فناوری رایانش‌گر رشته‌های DNA همچنین با ساختار‌های نانویی مانند «اوریگامی DNA» و مونتاژ‌های مولکولی پیوند خورده است و امکان تغییر شکل کنترل‌شده را فراهم کرده که دامنه‌ی کاربرد‌های زیستی آن را گسترش می‌دهد.

به گزارش ساینس دیلی، یکی از راهبرد‌های اصلی انتقال مدار‌های DNA پیش‌مونتاژشده به داخل سلول‌هاست. از سوی دیگر، می‌توان مدار‌های RNA را از کروموزوم یا پلاسمید‌ها به‌صورت درون‌سلولی رونویسی کرد تا در نهایت به مدار‌های عملکردی RNA تبدیل شوند. در هر دو حالت، مدار‌های زیستی نهایی قادرند وضعیت رونویسی و متابولیک سلول را ردیابی کرده و براساس آن تصمیم‌گیری و اقدام کنند.

بر اساس این پژوهش، واکنش‌های رایانش‌گر رشته‌ای می‌توانند با مولکول‌هایی، چون اسید‌های نوکلئیک، پروتئین‌ها، یون‌ها و ترکیبات کوچک آغاز شوند. اسید‌های نوکلئیک مانند DNA و RNA، از طریق طراحی مکمل می‌توانند به‌عنوان ورودی مستقیم استفاده شوند و در تحلیل ترنسکریپتوم و پایش سلول‌های زنده کاربرد داشته باشند.

برای شناسایی دقیق ورودی‌ها، از «آپتامر‌ها (aptamers)» بهره گرفته می‌شود؛ رشته‌های تک‌مارپیچ DNA یا RNA که با دقت و انتخاب‌پذیری بالا به هدف خود متصل می‌شوند. اتصال آپتامر‌ها به مدار‌های DNA نیز از طریق روش‌هایی، چون آپتامر‌های تغییر ساختاردهنده، گیرنده‌های پنهان، گیرنده‌های موقتی، گیرنده‌های فلزی، اتصال شیمیایی و DNA آنزیم‌ها (DNAzymes) ممکن شده است. هرچند جابجایی رشته DNA تاکنون عمدتاً در محیط آزمایشگاهی انجام می‌شده، استفاده از آن در محیط درون‌سلولی با موانعی همچون تخریب سریع توسط آنزیم‌های DNA از مواجه است. برای افزایش پایداری، پژوهشگران به سراغ محافظت‌های ساختاری مانند حلقه‌های انتهایی و محل‌های اتصال پروتئینی و همچنین اصلاحات شیمیایی از جمله متیلاسیون رفته‌اند.

با توجه به اینکه اغلب سلول‌ها به‌طور طبیعی DNA خارجی را دفع می‌کنند، ورود این نانوماشین‌ها نیازمند روش‌های خاصی مانند ترانسفکشن یا پروتکل‌های تبدیل است. افزون بر آن، عواملی، چون غلظت نمک، تراکم مولکولی و ناهمگنی محیط درون‌سلولی نیز بر واکنش‌ها تأثیرگذارند. راهکار نوین، توسعه مدار‌های RNA قابل رونویسی از روی پلاسمید‌ها یا کروموزوم‌هاست که به سلول‌ها اجازه می‌دهد خودشان این مدار‌ها را تولید کنند.

جابجایی رشته DNA اکنون به بستری برای مدل‌سازی رایانشی تبدیل شده است. با ترکیب اصول محاسباتی کلاسیک با واکنش‌های تصادفی زیستی، مدل‌هایی خلق می‌شوند که هم با زیست‌شناسی سازگارند و هم قدرت تحلیل و تصمیم‌گیری دارند. در چشم‌انداز آینده، نانوماشین‌های DNA می‌توانند با دقت بالا فرآیند‌های زیستی را کنترل کنند و انقلابی در پزشکی و علوم زیستی به‌پا کنند.

انتهای پیام/