Doktor v cele - Doctor in a cell

Spojením počítačové vědy a molekulární biologie byli vědci schopni pracovat na programovatelných programech biologický počítač které se v budoucnu mohou pohybovat v lidském těle, diagnostikovat nemoci a podávat léčbu. To je profesor Ehud Shapiro z Weizmannova institutu nazval „Doktor v cele”.

Průkopnická práce

V roce 1998 představil Shapiro koncepční návrh autonomní programovatelné molekuly Turingův stroj, realizovaný v té době jako mechanické zařízení, a vize toho, jak takové stroje mohou způsobit revoluci v medicíně.[1]

Vize zvaná „Doktor v buňce“ naznačovala, že chytré léky vyrobené z autonomních molekulárně-výpočetních zařízení, naprogramované s lékařskými znalostmi, mohou nahradit současné léky analýzou molekulárního stavu jejich prostředí (vstup) na základě naprogramovaných lékařských znalostí (program ), a je-li to považováno za nutné, uvolněte molekulu léčiva jako odpověď (výstup).[2]

První kroky k realizaci vize

K uskutečnění této vize vytvořil Shapiro mokrou laboratoř ve Weizmannu. Během několika let učinila laboratoř průkopnické kroky k uskutečnění této vize: (1) Molekulární implementace programovatelného autonomního automat ve kterém byl vstup zakódován jako a Molekula DNA, “software ”(Pravidla přechodu automatu) byla zakódována zkratkou Molekuly DNA a „Hardware „Byl vyroben ze zpracovaného DNA enzymy.[3] (2) Zjednodušená implementace automatu, ve kterém je vstupní molekula DNA použita jako palivo[4] (3) A. stochastický molekulární automaty ve kterém přechodu pravděpodobnosti lze naprogramovat změnou koncentrace „softwarových“ molekul, konkrétně relativních koncentrací molekul kódujících konkurenční pravidla přechodu.[5] A (4) Rozšíření stochastického automatu o vstupní a výstupní mechanismy, což mu umožňuje předprogramovanou interakci s prostředím a uvolnění specifické molekuly léčiva pro rakovina při detekci úrovní exprese mRNA charakteristické pro konkrétní rakovinu.[6] Tyto biomolekulární počítače byly demonstrovány ve zkumavce, kde byla předem smíchána řada markerů rakoviny, aby emulovaly různé kombinace markerů. Biomolekulární počítače identifikovaly přítomnost rakovina markery (Současná a nezávislá identifikace malobuněčný karcinom plic značky a rakovina prostaty markery). Počítač vybavený lékařskými znalostmi analyzoval situaci a diagnostikoval typ rakovina a poté uvolnil příslušnou drogu.

Počítače DNA schopné jednoduchých logických dedukcí

V roce 2009 Shapiro a doktorand Tom Ran představili prototyp autonomního programovatelného molekulárního systému založeného na manipulaci DNA řetězce, který je schopen provádět jednoduché logické dedukce.[7] Tento prototyp je první jednoduchý programovací jazyk implementováno v molekulárním měřítku. Tento systém zavedený do těla má obrovský potenciál přesně zacílit na konkrétní typy buněk a podat příslušnou léčbu, protože může provádět miliony výpočtů současně a logicky „myslet“. Tým prof. Shapira si klade za cíl zajistit, aby tyto počítače prováděly velmi složité akce a odpovídaly na složité otázky, podle logického modelu, který poprvé navrhl Aristoteles před více než 2000 lety. Biomolekulární počítače jsou extrémně malé: do jedné kapky vody se vejdou tři biliony počítačů. Pokud by počítače dostaly pravidlo „Všichni muži jsou smrtelní“ a skutečnost „Sokrates je muž“, odpověděli by „Sokrates je smrtelný“. Tým testoval několik pravidel a faktů a biomolekulární počítače na ně pokaždé správně odpověděly.

„Uživatelsky přívětivé“ počítače DNA

Tým také našel způsob, jak tato mikroskopická výpočetní zařízení vyrobituživatelsky přívětivý „Vytvořením překladač - program pro přemostění mezi a počítačový programovací jazyk na vysoké úrovni a výpočetní kód DNA. Snažili se vyvinout hybrid in silico /in vitro systém, který podporuje tvorbu a provedení programů molekulární logiky podobným způsobem jako elektronické počítače, což umožňuje každému, kdo ví, jak ovládat elektronický počítač, bez absolutně žádného pozadí molekulární biologie, provozovat biomolekulární počítač.

Počítače DNA pomocí výpočetních bakterií

V roce 2012 se profesorovi Ehudovi Shapirovi a Dr. Tomu Ranovi podařilo vytvořit genetický zařízení, které pracuje samostatně v bakteriální buňky.[8] Zařízení bylo naprogramováno tak, aby identifikovalo určité parametry a připojilo odpovídající odpověď. Zařízení vyhledá transkripční faktory - bílkoviny které ovládají exprese genů v cele. Porucha těchto molekul může narušit genová exprese. v rakovinné buňky například transkripční faktory regulační růst buněk a divize nefungují správně, což vede ke zvýšenému dělení buněk a tvorbě a nádor. Zařízení složené ze sekvence DNA vložené do a bakterie, provádí „jmenovité volání „z transkripční faktory. Pokud výsledky odpovídají předprogramovaným parametrům, reaguje vytvořením proteinu, který emituje a zelené světlo —Dodávání viditelné známky „pozitivní“ diagnózy. V následném výzkumu vědci plánují nahradit světlo emitující protein s takovým, který ovlivní osud buňky, například protein, který může způsobit, že buňka spáchá sebevraždu. Tímto způsobem zařízení způsobí autodestrukci pouze „pozitivně“ diagnostikovaných buněk. Po úspěchu studie v bakteriálních buňkách plánují vědci vyzkoušet způsoby náboru těchto bakterií jako účinného systému, který lze pohodlně vložit do lidského těla pro lékařské účely (což by nemělo být problematické vzhledem k naší přirozené Mikrobiom; nedávný výzkum ukazuje, že v lidském těle je již 10krát více bakteriálních buněk než lidských buněk, které sdílejí náš tělesný prostor v a symbiotický móda). Ještě dalším výzkumným cílem je provozovat podobný systém uvnitř lidských buněk, které jsou mnohem složitější než bakterie.

Reference

  1. ^ Shapiro E., 1999 Mechanický Turingův stroj: plán pro biomolekulární počítač. V příspěvku představeném na Proc. 5. Int. Setkání o počítačích založených na DNA, 14. – 15. Června 1999. Providence, RI: AMS Press.
  2. ^ Shapiro, Ehud. „Mechanický Turingův stroj: plán pro biomolekulární počítač.“ Rozhraní Focus 2.4 (2012): 497-503.
  3. ^ K., Benenson, T., Paz-Elitzur, R., Adar, E., Keinan, Z., Livneh a E. Shapiro. (2001) Programovatelný a autonomní počítač vyrobený z biomolekul. Nature 414, 430-434.
  4. ^ Benenson Y, Adar R, Paz-Elizur T, Livneh Z, Shapiro E, (2003) Molekula DNA poskytuje výpočetní stroj s daty i palivem, Proc. Natl. Acad. Sci. USA.
  5. ^ Adar R., Benenson Y., Linshiz G., Rozner A, Tishby N. a Shapiro E. (2004) Stochastické výpočty s biomolekulárními automaty. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 101, 9960-65.
  6. ^ Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor, Rivka Adar a Ehud Shapiro, (2004), Autonomní molekulární počítač pro logickou kontrolu genové exprese, Nature, 429, 423-429
  7. ^ Tom Ran, Shai Kaplan a Ehud Shapiro, (2009), Molekulární implementace jednoduchých logických programů, Nature Nanotechnology, srpen 2009.
  8. ^ Tom Ran, Yehonatan Douek, Lilach Milo, Ehud Shapiro. Programovatelné zařízení založené na NOR pro analýzu profilů transkripce. Vědecké zprávy, 2012.