Компьютер на основе нуклеиновых кислот оценивает качество воды

Синтетическая биология занимается созданием и проектированием искусственных биологических систем. Одна из задач в этой области — разработка дешевых, мобильных и простых в использовании биосенсоров. В новой работе сотрудники Северо-Западного университета и компании Stemloop (США) предложили усовершенствованный дизайн диагностической платформы ROSALIND (от англ. RNA Output Sensors Activated by Ligand INDuction), основанной на бесклеточной транскрипции. В отличие от предыдущей версии, система может проводить простейшие логические операции.

ROSALIND была разработана для выявления загрязнений в воде. Первая версия платформы состояла из РНК-полимеразы фага Т7, транскрипционного фактора, матрицы ДНК и флуорогена. Аналит, взаимодействуя с транскрипционным фактором, активировал его и запускал синтез РНК на ДНК-матрице. Образующийся транскрипт связывался с флуорогеном, и анализируемый раствор начинал флуоресцировать. Для новой версии ROSALIND ученые предложили использовать два типа вспомогательных молекул ДНК: для обработки и формирования сигнала. Молекула сигнальной ДНК несет флуорофор и тушитель на 5’- и 3’-конце.

Если аналит присутствует в образце, синтезированная РНК будет формировать комплекс с ДНК, ответственной за обработку сигнала. Последняя гибридизуется с сигнальной ДНК и способствует пространственному разделению флуорофора и тушителя. В результате наблюдается флуоресценция раствора.

Для проверки системы ученые сконструировали несколько биосенсоров, детектирующих присутствие тетрациклина и сульфата цинка. Новая система работала гораздо быстрее предыдущей версии. Благодаря наличию ДНК-посредников исследователи смогли реализовать три простых логических операции (AND, OR, NOT). Наслаиванием простых операций они получили четыре сложных (NOR, IMPLY, NIMPLY и NAND). Собирая логические схемы, можно было программировать генерацию сигнала в зависимости от наличия или отсутствия одного или обоих аналитов.

Более того, авторы продемонстрировали пластичность новой платформы. Например, кинетику формирования сигнала можно регулировать нуклеотидным составом ДНК-матрицы и ее длиной. Используя это, ученые сконструировали несколько биосенсоров, чувствительных к разным концентрациям сульфата цинка, и продемонстрировали согласованность своих вычислительных предсказаний и результатов эксперимента.

Авторы утверждают, что усовершенствованную платформу ROSALIND можно будет использовать для регулярной оценки качества воды. По их мнению, усовершенствованный бесклеточный биосенсор — важный шаг к созданию общей молекулярной вычислительной платформы и расширению применения бесклеточных технологий.