De nouveaux nanodispositifs à ARN dans des cellules vivantes peuvent détecter et analyser de multiples signaux complexes

 

L'acide ribonucléique (ARN) est utilisé pour créer des circuits logiques capables d'effectuer divers calculs. Dans de nouvelles expériences, Green et ses collègues ont incorporé des portes logiques d'ARN dans des cellules bactériennes vivantes, qui agissent comme de petits ordinateurs. Crédit :Jason Drees pour le Biodesign Institute

Le lien interdisciplinaire de la biologie et de l'ingénierie, connue sous le nom de biologie synthétique, se développe à un rythme rapide, ouvrant de nouvelles perspectives qui pouvaient à peine être imaginées il y a peu de temps.

Dans de nouvelles recherches, Alex Vert, professeur au Biodesign Institute de l'ASU, montre comment les cellules vivantes peuvent être amenées à effectuer des calculs à la manière de minuscules robots ou ordinateurs.

Les résultats de la nouvelle étude ont des implications importantes pour la conception de médicaments intelligents et l'administration de médicaments intelligents, production d'énergie verte, des technologies de diagnostic à faible coût et même le développement de nanomachines futuristes capables de traquer les cellules cancéreuses ou de désactiver des gènes aberrants.

"Nous utilisons des interactions ARN-ARN très prévisibles et programmables pour définir ce que ces circuits peuvent faire, " dit Green. " Cela signifie que nous pouvons utiliser un logiciel informatique pour concevoir des séquences d'ARN qui se comportent comme nous le souhaitons dans une cellule. Cela rend le processus de conception beaucoup plus rapide."

L'étude apparaît dans l'édition en ligne anticipée de la revue La nature .

ARN concepteur

L'approche décrite utilise des circuits composés d'acide ribonucléique ou d'ARN. Ces conceptions de circuits, qui ressemblent à des circuits électroniques conventionnels, s'auto-assembler dans des cellules bactériennes, leur permettant de détecter les messages entrants et d'y répondre en produisant une sortie de calcul particulière, (dans ce cas, une protéine).

Dans la nouvelle étude, des circuits spécialisés appelés portes logiques ont été conçus en laboratoire, puis incorporé dans les cellules vivantes. Les minuscules commutateurs de circuit se déclenchent lorsque des messages (sous forme de fragments d'ARN) s'attachent à leurs séquences d'ARN complémentaires dans le circuit cellulaire, activer la porte logique et produire une sortie souhaitée.

Les commutateurs RNA peuvent être combinés de diverses manières pour produire des portes logiques plus complexes capables d'évaluer et de répondre à plusieurs entrées, tout comme un simple ordinateur peut prendre plusieurs variables et effectuer des opérations séquentielles comme l'addition et la soustraction afin d'atteindre un résultat final.

La nouvelle étude améliore considérablement la facilité avec laquelle l'informatique cellulaire peut être effectuée. L'approche ARN uniquement pour produire des nanodispositifs cellulaires est une avancée significative, comme les efforts antérieurs nécessitaient l'utilisation d'intermédiaires complexes, comme les protéines. Maintenant, les parties de riboinformatique nécessaires peuvent être facilement conçues sur ordinateur. Les propriétés simples d'appariement des bases des quatre lettres nucléotidiques de l'ARN (A, C, G et U) assurent l'auto-assemblage et le fonctionnement prévisibles de ces pièces au sein d'une cellule vivante.

Le travail de Green dans ce domaine a commencé au Wyss Institute de Harvard, où il a contribué à développer le composant central utilisé dans les circuits cellulaires, connu sous le nom d'interrupteur à ARN pour les orteils. Le travail a été effectué alors que Green était un post-doc travaillant avec l'expert en nanotechnologie Peng Yin, avec les biologistes synthétiques James Collins et Pamela Silver, qui sont tous co-auteurs du nouvel article. « Les premières expérimentations datent de 2012, " dit Green. " En gros, les interrupteurs au pied ont si bien fonctionné que nous voulions trouver un moyen de les exploiter au mieux pour les applications cellulaires. »

Cette vidéo montre les principes de base de l'interrupteur RNA Toehold. Crédit :Université d'État de l'Arizona

Après son arrivée à l'ASU, Le premier étudiant diplômé de Green, Duo Ma, a travaillé sur des expériences au Biodesign Institute, tandis qu'un autre postdoc, Jongmin Kim a poursuivi un travail similaire au Wyss Institute. Tous deux sont également co-auteurs de la nouvelle étude.

Puce Pentium de la nature

La possibilité d'utiliser l'ADN et l'ARN, les molécules de la vie, effectuer des calculs informatiques a été démontré pour la première fois en 1994 par Leonard Adleman de l'Université de Californie du Sud. Depuis, les progrès rapides ont fait considérablement progresser le domaine, et récemment, un tel calcul moléculaire a été réalisé dans des cellules vivantes. (Les cellules bactériennes sont généralement utilisées à cette fin car elles sont plus simples et plus faciles à manipuler.)

La technique décrite dans le nouvel article tire parti du fait que l'ARN, contrairement à l'ADN, est simple brin lorsqu'il est produit dans les cellules. Cela permet aux chercheurs de concevoir des circuits d'ARN qui peuvent être activés lorsqu'un brin d'ARN complémentaire se lie à une séquence d'ARN exposée dans le circuit conçu. Cette liaison de brins complémentaires est régulière et prévisible, avec les nucléotides A s'appariant toujours avec U et C s'appariant toujours avec G.

Avec tous les éléments de traitement du circuit réalisés à l'aide d'ARN, qui peut prendre un nombre astronomique de séquences potentielles, la véritable puissance de la méthode nouvellement décrite réside dans sa capacité à effectuer de nombreuses opérations en même temps. Cette capacité de traitement parallèle permet des calculs plus rapides et plus sophistiqués tout en utilisant efficacement les ressources limitées de la cellule.

Semblable à la façon dont les informaticiens utilisent le langage logique pour que leurs programmes effectuent un ET précis, OU et NON des décisions vers un objectif final, Les « dispositifs de riboinformatique » (stylisés ici en jaune) développés par une équipe du Wyss Institute peuvent désormais être utilisés par des biologistes synthétiques pour détecter et interpréter plusieurs signaux dans les cellules et ordonner logiquement à leurs ribosomes (stylisés en bleu

et vert) de produire différentes protéines. Crédit :Institut Wyss de l'Université Harvard

Résultats logiques

Dans la nouvelle étude, portes logiques dites ET, OU et NON ont été conçus. Une porte ET produit une sortie dans la cellule uniquement lorsque deux messages ARN A ET B sont présents. Une porte OU répond à A OU B, tandis qu'une porte NON bloquera la sortie si une entrée d'ARN donnée est présente. La combinaison de ces portes peut produire une logique complexe capable de répondre à plusieurs entrées.

À l'aide d'interrupteurs RNA, les chercheurs ont produit les premiers dispositifs de riboinformatique capables de quatre entrées ET, OU à six entrées et un dispositif à 12 entrées capables d'effectuer une combinaison complexe de ET, OU et NON logique connue sous le nom d'expression de forme normale disjonctive. Lorsque la porte logique rencontre les séquences de liaison d'ARN correctes conduisant à l'activation, un interrupteur de prise de pied s'ouvre et le processus de traduction en protéine a lieu. Toutes ces fonctions de détection de circuit et de sortie peuvent être intégrées dans la même molécule, rendant les systèmes compacts et plus faciles à mettre en œuvre dans une cellule.

La recherche représente la prochaine phase des travaux en cours utilisant les commutateurs à ARN très polyvalents. Dans des travaux antérieurs, Green et ses collègues ont démontré qu'un produit peu coûteux, Une matrice papier d'interrupteurs à ARN pourrait servir de plate-forme très précise pour diagnostiquer le virus Zika. La détection de l'ARN viral par la puce a activé les interrupteurs des orteils, déclencher la production d'une protéine, qui s'est enregistré comme un changement de couleur sur le tableau.

Le principe de base de l'utilisation de dispositifs à base d'ARN pour réguler la production de protéines peut être appliqué à pratiquement n'importe quelle entrée d'ARN, inaugurant une nouvelle génération de précision, diagnostics à faible coût pour un large éventail de maladies. L'approche sans cellules est particulièrement bien adaptée aux menaces émergentes et lors d'épidémies dans les pays en développement, où les ressources médicales et le personnel peuvent être limités.

L'ordinateur à l'intérieur

Selon Green, la prochaine étape de la recherche se concentrera sur l'utilisation de la technologie ARN toehold pour produire des réseaux dits neuronaux au sein des cellules vivantes, des circuits capables d'analyser une gamme d'entrées excitatrices et inhibitrices, les faire la moyenne et produire un résultat une fois qu'un seuil d'activité particulier est atteint, un peu comme un neurone fait la moyenne des signaux entrants provenant d'autres neurones. Finalement, les chercheurs espèrent inciter les cellules à communiquer entre elles via des signaux moléculaires programmables, formant un véritable interactif, réseau semblable à un cerveau.

"Parce que nous utilisons l'ARN, une molécule universelle de la vie, nous savons que ces interactions peuvent également fonctionner dans d'autres cellules, notre méthode fournit donc une stratégie générale qui pourrait être portée sur d'autres organismes, " Vert dit, faisant allusion à un avenir dans lequel les cellules humaines deviendront des entités entièrement programmables dotées de capacités biologiques étendues.

Source : fr.scienceaq.com

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