Ядро клетки как модель для ДНК-компьютерных чипов

Чтобы сделать поведение ДНК понятным и предсказуемым, исследователи сочетают лабораторные эксперименты с компьютерным моделированием. Автор: Леннарт Хильберт, KIT

В человеческих клетках около 20 000 генов расположены на двухметровой нити ДНК, которая плотно скручена в ядре диаметром около 10 микрометров. Для сравнения, это соответствует 40-километровой нити, упакованной в футбольный мяч. Несмотря на такое тесное пространство, стволовые клетки успевают находить и активировать нужные гены всего за несколько минут. Набор активных генов отличается от клетки к клетке. Точная активация крайне важна, поскольку ошибки в выборе генов могут привести к заболеваниям или гибели клетки.

Исследования учёных из Технологического института Карлсруэ (KIT) показали, что биомолекулярные конденсаты обеспечивают быструю и надёжную активацию правильных генов. «Биомолекулярные конденсаты — это крошечные капли, которые образуются в определённых местах на ДНК — подобно каплям на зеркале в ванной после горячего душа — и ведут себя как масло в воде», — объясняет профессор Леннарт Хильберт из Института биологических и химических систем (IBCS) KIT. «Они содержат молекулярные машины, то есть набор определённых молекул, необходимых для активации генов».

Этот процесс напоминает ключевой принцип в информатике, лежащий в основе современных компьютеров и смартфонов: архитектуру фон Неймана. В этой архитектуре один процессор может очень быстро подключаться к одному адресу в большой памяти, часто называемой ОЗУ. Исследователи теперь хотят применить этот принцип к искусственным ДНК-компьютерным чипам, чтобы управлять биотехнологическими и биомедицинскими приложениями.

Работа опубликована в журнале Annals of the New York Academy of Sciences.

Поверхности, которые выполняют вычисления

«Чтобы воспроизвести такие биомолекулярные конденсаты, то есть вычислительные центры клеточных ядер, и построить искусственные ДНК-наноструктуры для компьютерных чипов, мы сочетаем традиционные лабораторные эксперименты с современным компьютерным моделированием. Используя цифровые модели ДНК-наноструктур, мы можем понять и даже предсказать поведение конденсатов», — говорит Мона Велльхойссер, аспирант IBCS и соавтор статьи.

Для этого учёные цифровым образом моделируют систему, в которой ферменты работают как маленькие машины и выполняют определённые задачи, например, проводят вычисления. Чтобы доставить эти ферменты в нужное место на ДНК, они используют поверхностную конденсацию, при которой ферменты самостоятельно накапливаются в конкретных местах на ДНК — именно там, где они нужны. Если в симуляции идентифицируются кандидаты, которые ведут себя правильно, их синтезируют в лаборатории и изучают в пробирках на предмет реальных свойств.

«Это значительно ускоряет исследовательский процесс, поскольку компьютерное моделирование требует гораздо меньше времени, чем лабораторные эксперименты», — отмечает Хильберт. «Пока мы можем получить доступ только к одному адресу. Но благодаря нашим исследованиям мы прокладываем путь к разработке более комплексной адресной системы и совершенно новых ДНК-систем хранения и вычислений, архитектура которых смоделирована по образцу природы».

Учёные заявляют, что мРНК-вакцина от коронавируса и недавно успешная персонализированная «программируемая» генная терапия уже демонстрируют потенциал биотехнологий, которыми можно управлять с помощью ДНК и РНК. Ещё одно перспективное направление применения — «ДНК-чипы» для интеллектуального управления терапией рака. Они могли бы перепрограммировать иммунные клетки так, чтобы они активировались, как только встречают раковые клетки.

Больше информации: Lennart Hilbert et al, Chromatin‐associated condensates as an inspiration for the system architecture of future DNA computers, Annals of the New York Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1111/nyas.15415

Источник: Karlsruhe Institute of Technology