Moleculaire omhulsels openen de weg voor DNA-computers in bloed

DNA-moleculen kunnen net als computers worden geherprogrammeerd, zodat ze nuttige dingen kunnen doen als het opsporen van ziektes of het toedienen van medicijnen. Maar tot dusver werkte dit soort DNA-computers niet in bloed, omdat menselijke enzymen de moleculen vrijwel meteen afbreken.

Biomedisch ingenieur Tom de Greef van de Technische Universiteit in Eindhoven heeft samen met onderzoekers van Radboud Universiteit, de Universiteit van Bristol en Microsoft Research een oplossing gevonden voor dit probleem. Ze hebben beschermende moleculaire omhulsels gemaakt, met daarin functionerende DNA-computer circuits. Deze modulaire benadering heeft nog een extra voordeel: het vergroot de rekensnelheid. De resultaten zijn vandaag gepubliceerd in Nature Nanotechnology.

Interacties

Gewone computers gebruiken een reeks van logische stappen die een elektrische input omzetten in een output. Moleculaire computers op basis van DNA doen iets soortgelijks: ze gebruiken interacties tussen DNA-strengen om een DNA-input om te zetten in een output. DNA-computers kunnen worden geprogrammeerd om complexe algoritmische berekeningen uit te voeren op moleculaire data zonder tussenkomst van de mens.

Nieuwe benadering

In de studie die vandaag is verschenen in Nature Nanotechnologie beschrijft een team onder leiding van Tom de Greef, universitair hoofddocent in de Synthetische Biologie aan de faculteit Biomedische Technologie van de TU/e en Professor Stephen Mann van de Scheikunde-faculteit aan de Universiteit van Bristol, een nieuwe benadering voor DNA-computers. Deze benadering gebruikt zogenaamde proteïnosomen, verzamelingen van capsules met daarin verschillende DNA-moleculen die gezamenlijk kunnen worden gebruikt voor moleculaire sensoren en berekeningen. Hiermee zijn ze potentieel geschikt voor gebruik in in-vitro-diagnostiek en slimme medicijnen.


Sneller, modulair en effectief

DNA-computers zijn van nature traag en lastig op te schalen, omdat ze werken in een ‘chemische soep’, waar ze vertrouwen op een willekeurige verdeling om op elkaar te reageren en berekeningen uit te voeren. “Door de introductie van compartimenten kunnen we de concentratie van DNA-moleculen in de capsules opvoeren, en daarmee ook de rekensnelheid. Ook wordt het zo gemakkelijker om de computercircuits modulair te ontwerpen.”, zegt De Greef.

Onverwoestbaar

Een van de grootste uitdagingen van de nanotechonologie is het maken van autonome moleculaire machines die ook werken in moeilijke biologische omgevingen. “Tot dusver kan dat niet, omdat de enzymen in bloedserum de DNA-strengen die de berekeningen uitvoeren, kapot maken”, aldus De Greef. Bij de aanpak voorgesteld in dit artikel worden de DNA-strengen ingekapseld in proteïnosomen, wat ze minder kwetsbaar maakt voor de vertering door enzymen. Daardoor blijven ze veel langer actief in bloedserum, en wordt het mogelijk om echte, celachtige autonome systemen te ontwikkelen in fysiologische omstandigheden. “

Microscopisch beeld met groen-, donkerblauw- en blauw-gelabelde synthetische protocellen voor DNA-communicatie en -berekening. De protocellen bevatten DNA-moleculen en zitten vast tussen twee kleine zuiltjes (hier grijs). Schaal 100 ?m.

Tweerichtingsverkeer

Levende cellen communiceren met elkaar door de afscheiding van signaalmoleculen die bij naburige cellen moleculaire sleutelprocessen activeren. Deze intercellulaire communicatie gaat vaak twee kanten uit, en omvat zowel positieve als negatieve interacties. “Met ons platform hebben we de cellulaire communicatie in levende systemen nagebootst door twee gemeenschappen van kunstmatige cellen. Zo hebben we bijvoorbeeld laten zien dat wanneer een DNA-streng naar binnengaat en de eerste gemeenschap activeert, het afgescheiden signaal de tweede gemeenschap activeert; die reageert op zijn beurt door een enzymremmer af te scheiden die de eerste gemeenschap weer deactiveert.”

 Nieuwe medische toepassingen

Deze nieuwe benadering opent de weg voor allerlei praktische toepassingen in de medische wereld. Op dit moment testen de TU/e en Microsoft de nieuwe DNA-netwerken voor de opsporing en classificatie van ziekten.

‘DNA-based communication in populations of synthetic protocells’ by A. Joesaar et al. is published today in Nature Nanotechnology (DOI: 1038/s41565-019-0399-9).

Foto: Tom de Greef, universitair hoofddocent (in de Synthetische Biologie aan de faculteit Biomedische Technologie van de TU/e en deeltijd-hoogleraar aan de Radboud Universiteit (Foto: TU/e)

Bron: TU Eindhoven