محققان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری با بررسی امکان جایگزینی RNA به جای DNA در طراحی کامپیوترهای زیستی، به دنبال وارد کردن این سامانه‌ها از لوله آزمایش به داخل سلول هستند.
کامپیوترهای زیستی کوچکی که از DNA ساخته شده‌اند، پس از اینکه به طور کامل تجاری‌سازی شدند، می‌توانند روش تشخیص و درمان برخی از بیماری‌ها را متحول کنند. با این حال، مانع بزرگ برای این دستگاه‌های مبتنی بر DNA، که می‌توانند هم در سلول‌ها و هم در محلول‌های مایع کار کنند، عمر کوتاه آنها بوده است.
یافته‌های اخیر محققان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) ممکن است منجر به کامپیوترهای زیستی با عمر طولانی شود که به طور بالقوه می‌توانند در داخل سلول‌ها باقی بمانند.
در مقاله ای که در مجله Science Advances منتشر شده است، نویسندگان از رویکرد سنتی مبتنی بر DNA صرف نظر کرده و در عوض از RNA برای ساخت کامپیوتر استفاده کرده‌اند.
نتایج نشان می‌دهد که مدارهای RNA به اندازه مدارهای مبتنی بر DNA قابل اعتماد و همه کاره هستند. علاوه بر این، سلول‌های زنده ممکن است بتوانند به طور مداوم این مدارهای RNA را ایجاد کنند، چیزی که به آسانی با مدارهای DNA امکان‌پذیر نیست و RNA را به عنوان یک نامزد امیدوارکننده برای کامپیوترهای زیستی قدرتمند و با عمر طولانی مدت قرار می‌دهد.
هدف محققان NIST تبدیل سلول به یک کارخانه کامپیوترهای زیستی و قرار دادن DNA در ژنوم یک سلول است. ساموئل شافتر، محقق فوق دکتری NIST و نویسنده اصلی این مطالعه، گفت: «تفاوت این است که به جای کدگذاری با یک و صفر، رشته‌هایی از A، T، C و G را می‌نویسید، که چهار باز شیمیایی تشکیل‌دهنده DNA هستند.»
با ترکیب یک توالی خاص از بازها در رشته‌ای از اسید نوکلئیک، محققان می‌توانند تعیین کنند که این رشته به چه چیزی متصل شود. یک رشته را می‌توان طوری مهندسی کرد که به قطعات خاصی از DNA، RNA یا برخی پروتئین‌های مرتبط با یک بیماری متصل شود، سپس واکنش‌های شیمیایی را با رشته‌های دیگر در همان مدار ایجاد کند تا اطلاعات شیمیایی را پردازش کند و در نهایت نوعی خروجی مفید تولید نماید.
این خروجی ممکن است یک سیگنال قابل تشخیص باشد که می‌تواند به تشخیص پزشکی کمک کند، یا می‌تواند یک دارو برای درمان یک بیماری باشد. با این حال، DNA ماده محکمی نیست و در شرایط خاص می‌تواند به سرعت از هم جدا شود. سلول‌ها می‌توانند محیط‌های خشنی برای DNA باشند، زیرا اغلب حاوی پروتئین‌هایی هستند که اسیدهای نوکلئیک را خرد می‌کنند.
از آنجایی که RNA یک اسید نوکلئیک است، در بسیاری از مشکلات DNA در هنگام تبدیل شدن به یک بلوک سازنده کامپیوتر زیستی شریک است. RNA مستعد تخریب سریع است و پس از اتصال شیمیایی یک رشته به مولکول هدف، عمر آن رشته تمام می‌شود. اما بر خلاف DNA، RNA می‌تواند در شرایط مناسب یک منبع تجدیدپذیر باشد. برای استفاده از این مزیت، شافتر و همکارانش ابتدا باید نشان دهند که مدارهای RNA، که سلول‌ها از نظر تئوری قادر به تولید آن هستند، می‌توانند به خوبی نوع مبتنی بر DNA عمل کنند.
در فرآیند رونویسی اگر DNA موجود در ژنوم یک سلول برای اجزای مدار در یک کامپیوتر زیستی رمزگذاری شود، آنگاه سلول به طور مداوم اجزای کامپیوتر را تولید می‌کند. در فرآیند محاسبات زیستی، تک رشته‌های اسیدهای نوکلئیک در یک مدار می‌توانند به راحتی به رشته‌های دیگر در همان مدار متصل شوند، یک اثر نامطلوب که از اتصال اجزای مدار به اهداف مورد نظرشان جلوگیری می‌کند. طراحی این مدارها اغلب به این معنی است که اجزای مختلف برای یکدیگر مناسب خواهند بود.
محققان به دنبال تقلید از عملکرد “دروازه قفل شده” در مدار RNA خود بودند، با در نظر گرفتن اینکه در نهایت، سلول‌ها باید خودشان این دروازه‌های قفل شده را تولید کنند. برای این کار محققان توالی‌ها را نوشتند که به آنها اجازه تقلید از این دروازه قفل شده را می‌داد. دروازه‌های مدار RNA می‌توانند به طور هماهنگ برای انجام عملیات پیچیده کار کنند. هنگامی‌که یک دروازه باز می‌شود، یک رشته RNA آزاد می‌کند که می‌تواند به دروازه دیگری متصل شود و قفل آن را باز کند.
اما برای درست کار کردن، دروازه‌ها باید دو رشته شیمیایی متصل اما متمایز باشند. این تیم سامانه‌ای دو رشته‌ای را در دروازه‌های خود با کدگذاری در یک ریبوزیم در نزدیکی نقطه تا شدن دروازه‌ها ایجاد کردند. این ریبوزیم خاص که از ژنوم ویروس هپاتیت گرفته شده است پس از اینکه رشته RNA در آن قرار گرفت، خود را از بین می‌برد و دو رشته مجزا ایجاد می‌کند.
نویسندگان آزمایش کردند که آیا مدارهای آنها می‌توانند عملیات منطقی اساسی را انجام دهند که نتایج تایید کرد که این امکان وجود دارد. محققان همچنین سرعت باز شدن قفل دروازه‌ها را هنگام پردازش ورودی‌ها توسط مدارها بررسی کردند و اندازه‌گیری‌های خود را با پیش‌بینی‌های مدل‌های کامپیوتری مقایسه کردند.
شباهت‌های عملکرد بین مدارهای DNA و RNA می‌تواند نشان‌دهنده این باشد که تغییر به مدار دوم ممکن است مفید باشد. بسیاری از مدارهای DNA موجود که محققان قبلاً برای انجام وظایف مختلف توسعه داده‌اند، از نظر تئوری می‌توانند با نسخه های RNA جایگزین شوند و به همان شیوه رفتار کنند.
در این مطالعه، نویسندگان نشان دادند که مدارهای قابل رونویسی کار می‌کنند، اما هنوز آنها را با استفاده از ماشین‌های سلولی واقعی رونویسی تولید نکرده‌اند.