Winzige Biocomputer Rücken Näher An Die Realität

Mehrere Forschungsgruppen entwickeln DNA-basierte Schaltkreise, die eines Tages Krankheiten aus dem Körperinneren heraus überwachen und behandeln könnten.

Forscher in der Nanomedizin haben lange von einem Zeitalter geträumt, in dem Computergeräte im molekularen Maßstab in unseren Körper eingebettet werden könnten, um die Gesundheit zu überwachen und Krankheiten zu behandeln, bevor sie fortschreiten. Der Vorteil solcher Computer, die aus biologischem Material bestehen würden, würde in ihrer Fähigkeit liegen, die biochemische Sprache des Lebens zu sprechen.

Mehrere Forschungsgruppen haben kürzlich über Fortschritte auf diesem Gebiet berichtet. Ein Team am California Institute of Technology, das in der Zeitschrift Science schrieb, verwendete DNA-Nanostrukturen, sogenannte Wipptore, um Logikschaltungen zu konstruieren, die denen in Mikroprozessoren entsprechen. So wie Komponenten auf Siliziumbasis elektrischen Strom verwenden, um Einsen und Nullen darzustellen, verwenden biobasierte Schaltkreise Konzentrationen von DNA-Molekülen in einem Reagenzglas. Wenn neue DNA-Stränge als "Input" in das Reagenzglas gegeben werden, unterliegt die Lösung einer Kaskade chemischer Wechselwirkungen, um verschiedene DNA-Stränge als "Output" freizusetzen. Theoretisch könnte der Input ein molekularer Indikator für eine Krankheit sein, und der Output könnte ein geeignetes therapeutisches Molekül sein. Ein häufiges Problem beim Aufbau eines Computers in einem Reagenzglas besteht darin, dass es schwierig ist zu kontrollieren, welche Wechselwirkungen zwischen Molekülen auftreten. Die Brillanz des Wipptors besteht darin, dass ein bestimmtes Tor nur auf bestimmte eingegebene DNA-Stränge reagiert.

In einem anschließenden Nature-Artikel zeigten die Caltech-Forscher die Kraft ihrer Technik, indem sie eine DNA-basierte Schaltung bauten, die ein einfaches Gedächtnisspiel spielen konnte. Ein Schaltkreis mit Gedächtnis könnte, wenn er in lebende Zellen integriert ist, komplexe Krankheiten anhand einer Reihe biologischer Hinweise erkennen und behandeln.

Diese Schaltung wurde jedoch teilweise nicht in lebendes Gewebe integriert, da ihre Fähigkeit zur Kommunikation mit Zellen begrenzt ist. Zhen Xie vom Massachusetts Institute of Technology und seine Mitarbeiter haben kürzlich Fortschritte auf diesem Gebiet erzielt. Wie sie in Science berichteten, entwarfen sie einen RNA-basierten Schaltkreis, der einfacher war, aber dennoch modifizierte Krebszellen von nicht krebsartigen Zellen unterscheiden und, was noch wichtiger ist, die Selbstzerstörung der Krebszellen auslösen konnte.

Beide Techniken wurden nur in künstlichen Szenarien verwendet. Die Fortschritte bei DNA-basierten Schaltkreisen bieten jedoch eine neue, leistungsstarke Plattform, um potenziell die lang gehegten Träume von Forschern im Bereich Biocomputing zu verwirklichen.