Onaangeboorde kracht: logische bewerkingen met behulp van RNA-druppels

RNA-druppeltjes kunnen nu worden gebruikt om logische bewerkingen uit te voeren waarbij microRNA-sequenties als input worden gebruikt, melden wetenschappers van Tokyo Tech. Door zichzelf te assembleren tot netwerkachtige structuren, vormen RNA-moleculen druppeltjes in vloeibare toestand. Deze RNA-druppeltjes verspreiden zich alleen als de juiste microRNA-sequenties aanwezig zijn door de logische AND-bewerking uit te voeren. Deze innovatieve strategie zou de weg kunnen vrijmaken voor vooruitgang op het gebied van biomoleculaire detectie, kunstmatige cellen en computationele bio-apparaten.

DNA en RNA coderen voor genetische informatie en zijn betrokken bij de eiwitsynthese. In de DNA/RNA-nanotechnologie worden hun informatieverwerkingsmogelijkheden benut om programmeerbare 2D/3D-structuren te vormen. De afgelopen jaren hebben DNA-druppeltjes, vloeibare condensaten van synthetisch DNA, steeds meer aandacht getrokken als moleculaire detectie- en biocomputationele apparaten.

Hoewel DNA-druppeltjes in dit geavanceerde onderzoeksveld de aandacht hebben getrokken, kunnen hun RNA-tegenhangers net zo krachtig zijn, zo niet zelfs krachtiger. Vergeleken met DNA heeft RNA veel meer gevarieerde functies naast zijn rol in de eiwitsynthese. Bovendien kan het een breed scala aan moleculaire structuren aannemen. Helaas hebben, ondanks de veelzijdigheid ervan, weinig studies het onaangeboorde potentieel van RNA-druppeltjes als hulpmiddel voor biocomputing en bio-nanotechnologie onderzocht.

Tegen deze achtergrond heeft een team van onderzoekers, waaronder professor Masahiro Takinoue en postdoctoraal onderzoeker Hirotake Udono van het Tokyo Institute of Technology, Japan, een nieuw type ‘computationele RNA-druppeltjes’ ontwikkeld, die kunnen worden gebruikt om logische bewerkingen uit te voeren. vergelijkbaar met elektronische apparaten. Hun onderzoeksresultaten werden op 3 juni gepubliceerd in ACS Nano.

Deze programmeerbare RNA-druppeltjes worden geconstrueerd via de mogelijkheden van RNA voor sequentieherkenning en secundaire structuurvorming. “Onze aanpak is gebaseerd op de kissing loop (KL)-interactie, die plaatsvindt tussen twee intern gevouwen enkelstrengige RNA’s”, legt Takinoue uit. “Dit maakt de zelfassemblage van deze gevouwen structuren tot stabiele complexe structuren mogelijk.”

Simpel gezegd: de onderzoekers hebben de nucleotidesequentie van de RNA-strengen zorgvuldig ontworpen, zodat ze zich spontaan zouden verzamelen in vooraf bepaalde moleculaire structuren, die elkaar ook aantrekken om een ​​grootschalig netwerk te vormen.

De beheersbaarheid van RNA-druppeltjes in de fasetoestand wordt bepaald door een soort sleutel-en-slot-mechanisme dat alleen kan worden ‘geopend’ door een specifieke microRNA-sequentie. Vanwege de manier waarop de RNA-structuren zijn ontworpen, zal het netwerk alleen uiteenvallen in ketenachtige structuren als twee bepaalde microRNA-sequenties tegelijkertijd aanwezig zijn. Wanneer dit gebeurt, veroorzaakt dit een merkbare verandering in de fase van de RNA-druppeltjes, die meer verspreid raken in de oplossing.

In computationele termen kunnen de voorgestelde RNA-druppeltjes effectief de logische AND-bewerking uitvoeren, waarbij twee microRNA-sequenties als invoer worden gebruikt. De onderzoekers verklaarden ook dat het ontwerpen van soortgelijke RNA-druppeltjes voor andere logische bewerkingen ook mogelijk is.

Deze veelzijdigheid zou nuttig kunnen zijn in verschillende toepassingen, zoals Takinoue opmerkt: “Onze computationele RNA-druppeltjes kunnen worden toegepast op de in situ programmeerbare assemblage van computationele biomoleculaire apparaten en kunstmatige cellen van transcriptioneel afgeleid RNA in biologische of kunstmatige cellen.”

Bovendien zijn deze RNA-druppeltjes veelbelovend als handige diagnostische hulpmiddelen. Omdat ze de aanwezigheid van specifieke RNA-sequenties kunnen detecteren, kunnen ze worden gebruikt om te zoeken naar biomarkers voor ziekten. “In tegenstelling tot eerder gerapporteerde submicroscopische, op RNA gebaseerde logische operators, biedt de macroscopische faseverandering van onze RNA-druppeltjes een uitlezing voor moleculaire detectie die met het blote oog kan worden onderscheiden”, zegt Takinoue.

Over het geheel genomen benadrukt deze studie de dubbele rol van RNA als zowel een hulpmiddel als een bouwsteen voor veelzijdige bio-engineeringapparatuur.