Wetenschappers ontwikkelen levende cellen als 'logische poorten'

In een stap die de dag van cellulaire computers dichterbij brengt, heeft een team van Amerikaanse wetenschappers van Johns Hopkins University School of Medicine in de VS levende cellen ontworpen om zich als logische poorten te gedragenof eenvoudige biologische computereenheden die bepaalde outputs produceren in reactie op bepaalde combinaties van inputs.
In het meinummer van Natuur Chemische biologie, senior auteur Takanari Inoue, een assistent-professor bij de Afdeling Celbiologie bij Johns Hopkins, en lid van het Instituut voor Basisbiomedische Wetenschappen 'Centrum voor Cel-dynamica van de universiteit, en collega's, beschrijven hoe ze ervoor zorgden dat zoogdiercellen zich gedroegen als AND en OF logische poorten.
In het hart van elke digitale computer bevinden zich "logische poorten" die Booleaanse of logische bewerkingen uitvoeren zoals NIET, EN en OF. Deze poorten herkennen en reageren door slechts twee toestanden te begrijpen: Waar (1) en Onwaar (0).
De EN-poort heeft bijvoorbeeld twee ingangen en geeft alleen een 1 af als beide ingangen 1 zijn. Dus voor deze poort, uit de vier mogelijke invoercombinaties 00, 01, 10 en 11, produceert alleen de combinatie 11 een 1; de andere drie combinaties resulteren in een 0.
De OF-poort heeft ook twee ingangen, maar geeft een 1 uit wanneer een van beide of allebei een 1 is. Dus van de vier mogelijke combinaties 00, 01, 10 en 11, leidt alleen de 00 tot 0, voor de andere drie combinaties, de OF-poort geeft a 1 uit.
In elektronische computers zijn de logische poorten op silicium gebaseerde componenten en de toestanden waar en onwaar (1 en 0) worden weergegeven door de aan- of afwezigheid van een elektrische stroom.
Stel je nu voor dat je een vergelijkbare logische processor in een cel kunt maken. Welke componenten en functies kunt u gebruiken? Eén benadering is om de genetische machinerie in cellen te gebruiken, dit is inderdaad al gebeurd. Eerdere studies hebben gebruik gemaakt van trascription, het proces waarbij cellen genen lezen om eiwitten te maken, om outputs te genereren. Maar dit gaat langzaam en duurt enkele minuten tot dagen. En de behoefte aan snelheid is een belangrijke driver in dit onderzoek, zoals Inoue uitlegde:
"Mensen willen graag snel kunnen rekenen, we hoopten in cellen een berekening in de orde van seconden te krijgen, wat aanzienlijk sneller is dan wat mensen tot nu toe hebben bereikt."
Inoue en collega's besloten daarom om een ??systeem op basis van cellulaire eiwitten te ontwikkelen.
Ze bereikten dit door een techniek te gebruiken genaamd chemisch induceerbare dimerisatie (CID) die natuurlijke biologische mechanismen implementeert om twee eiwitten in een complex te laten samensmelten in de aanwezigheid van een chemische stof.
Omdat AND- en OR-poorten outputs maken op basis van twee verschillende inputs, hetzij samen of afzonderlijk, had het team twee verschillende CID-systemen nodig die niet met elkaar wedijverden of elkaar overlappen.
Ze vertrouwden op één CID-systeem dat al jaren wordt bestudeerd, waardoor de dierlijke eiwitten FRB en FKBP bij elkaar komen in de aanwezigheid van een medicijn dat rapamycine wordt genoemd en dat is afgeleid van bacteriën.
Daarnaast hebben ze een tweede CID-systeem gebruikt dat de twee plantaardige eiwitten GID1 en GAI bij elkaar brengt, in de aanwezigheid van een plantenhormoon dat gibberelline wordt genoemd.
Inoue legde uit dat, aangezien het gibberellinesysteem gebaseerd is op planten, het niet concurreert met de dierlijke rapamycine-een.
Hij en zijn collega's ontwikkelden zoogdiercellen die alle vier de eiwitten maken, evenals een reactie, wanneer de juiste twee eiwitten samenkomen.
Dus wanneer FRB en FKBP of GID1 en GAI samen kwamen, ontwikkelde het membraan van de cel "ruches" die gemakkelijk te zien waren onder een microscoop.
Om de OR-poort te maken, werden FRB en GAI aan het celmembraan samengebonden, terwijl FKBP en GID1 aan elkaar waren gebonden en vrij in de cel zweefden. De OR-bewerking vond plaats door het toevoegen van hetzij rapamycine OF gibberelline OR beide, omdat elk hiervan resulteerde in het vrij-zwevende paar dat zich verbindt met het paar op het membraan om het uitgangssignaal te maken.
Om de EN-poort te maken, plaatste het team slechts GAI op het celmembraan en had FRB en een combinatie van FKBP en GID1 vrij zwevend in de cel. In dit systeem moesten alle vier de eiwitten worden gekoppeld om een ??uitgangssignaal te genereren, dat alleen plaatsvond wanneer zowel rapamycine EN gibberelline aanwezig waren.
Toen ze deze systemen testten, merkte het team dat ze de vereiste antwoorden snel produceerden, in slechts een paar seconden.
Als tweede beginselprincipe testten ze het systeem ook met behulp van fluorescentie als het vereiste uitvoersignaal. Ze vonden dat dit net zo snel was.
Inoue zei dat het uiteindelijk mogelijk zou zijn om deze methoden te gebruiken om grotere, meer complexe logische circuits te bouwen en om computers op cellen te baseren.
In de tussentijd kunnen deze systemen min of meer zoals ze zijn goed worden gebruikt: ze kunnen bijvoorbeeld specifieke outputs produceren in aanwezigheid van bepaalde chemicaliën, een nuttig diagnostisch hulpmiddel.
Een ander potentieel gebruik is om te bestuderen hoe cellen van nature uitgangen produceren om lichaamsfuncties te reguleren.
Fondsen van het National Institute of Health (NIH), de National Science Foundation en het National Center for Research Resources van de NIH en NIH Roadmap for Medical Research droegen bij aan de financiering van het onderzoek.
Geschreven door Catharine Paddock PhD

Zonneschijn vermindert het risico op reumatoïde artritis

Routine blootstelling aan de zon, in het bijzonder UV-stralen (UVB), kan het risico op reumatoïde artritis verminderen, volgens een nieuwe studie gepubliceerd in de Annals of the Rheumatic Diseases. De positieve resultaten van blootstelling aan UVB werden aangetoond bij voornamelijk oudere vrouwen, mogelijk omdat jongere vrouwen worden voorgelicht over de gevaren van zonlicht en zichzelf beschermen tegen zonnebrand, suggereren de auteurs.

(Health)

Zwangere vrouwen moeten zich bewust zijn van onbedoelde chemische blootstelling

Zwangere vrouwen moeten zich bewust zijn van de bronnen en routes van chemische blootstelling om het gevaar voor hun ongeboren baby te minimaliseren, hoewel het nog steeds onbekend is welke effecten deze chemicaliën kunnen hebben, suggereert onderzoek van het Royal College of Verloskundigen en Gynaecologen (RCOG). Historisch gezien zijn er veel aanbevelingen gedaan over gezonde levensstijlkeuzes die vrouwen kunnen aannemen tijdens de zwangerschap, maar er is geen standaardinformatie over de mogelijke risico's die sommige chemische blootstellingen kunnen opleveren voor de foetus.

(Health)