En utilisant des brins d'acide nucléique, des scientifiques ont démontré des opérations informatiques de base à l'intérieur d'une cellule de mammifère vivante. La recherche pourrait conduire à un système de détection artificielle qui pourrait contrôler le comportement d'une cellule en réponse à des stimuli tels que la présence de toxines ou le développement d'un cancer.

La recherche utilise le déplacement de brins d'ADN, une technologie largement utilisée en dehors des cellules pour la conception de circuits moléculaires, moteurs et capteurs. Les chercheurs ont modifié le processus pour fournir à la fois des portes logiques « ET » et « OU » capables de fonctionner à l'intérieur des cellules vivantes et d'interagir avec l'ARN messager natif (ARNm).

Les outils qu'ils ont développés pourraient fournir une base pour les bio-ordinateurs capables de détecter, analyser et moduler l'information moléculaire au niveau cellulaire. Soutenu par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) et la National Science Foundation (NSF), la recherche a été publiée le 21 décembre dans le journal Nature Nanotechnologie .

"L'idée est de pouvoir prendre la logique utilisée dans les ordinateurs et de la porter dans les cellules elles-mêmes, " dit Philippe Santangelo, professeur agrégé au département de génie biomédical Wallace H. Coulter de Georgia Tech et de l'Université Emory. "Ces appareils pourraient détecter un ARN aberrant, par exemple, puis arrêter la traduction cellulaire ou induire la mort cellulaire."

Les réactions de déplacement de brin sont l'équivalent biologique des commutateurs ou des portes qui constituent la base de l'informatique basée sur le silicium. Ils peuvent être programmés pour s'allumer ou s'éteindre en réponse à un stimulus externe tel qu'une molécule. Une porte "ET", par exemple, changerait lorsque les deux conditions étaient remplies, tandis qu'une porte "OU" basculerait lorsque l'une ou l'autre des conditions était remplie.

Dans les commutateurs utilisés par les chercheurs, une molécule rapporteur fluorophore et sa molécule d'extinction complémentaire ont été placées côte à côte pour créer un mode « off ». La liaison de l'ARN dans l'un des brins a alors déplacé une partie de l'acide nucléique, séparant les molécules et permettant la génération d'un signal qui a créé un mode « on ». Deux modes « on » sur des brins d'acide nucléique adjacents ont créé une porte « ET ».

"La démonstration de portes logiques individuelles n'est qu'une première étape, " dit Georg Seelig, professeur adjoint d'informatique et d'ingénierie et d'ingénierie électrique à l'Université de Washington. « À plus long terme, nous voulons étendre cette technologie pour créer des circuits avec de nombreuses entrées, tels que ceux que nous avons construits dans des environnements sans cellule."

Les chercheurs ont utilisé des ligands conçus pour se lier à des parties spécifiques des brins d'acide nucléique, qui peuvent être créés à volonté et produits par des fournisseurs commerciaux.

"Nous avons senti des molécules et montré que nous pouvions y répondre, " a déclaré Santangelo. "Nous avons montré que nous pouvions utiliser des molécules natives dans la cellule dans le cadre du circuit, bien que nous n'ayons pas encore été en mesure de contrôler une cellule."

Faire fonctionner les opérations informatiques de base à l'intérieur des cellules n'était pas une tâche facile, et la recherche a exigé un certain nombre d'années pour accomplir. Parmi les défis figuraient l'introduction des appareils dans les cellules sans déclencher les commutateurs, fournissant une opération suffisamment rapide pour être utile, et ne pas tuer les lignées cellulaires humaines que les chercheurs ont utilisées en laboratoire.

"Nous avons dû changer chimiquement les sondes pour les faire fonctionner à l'intérieur de la cellule et les rendre suffisamment stables à l'intérieur des cellules, " a déclaré Santangelo. "Nous avons constaté que ces réactions de déplacement de brin peuvent être lentes dans le cytosol, afin de les faire travailler plus rapidement, nous avons construit un échafaudage sur l'ARN messager qui nous a permis d'amplifier les effets."

Les ordinateurs d'acide nucléique ont finalement fonctionné comme souhaité, et l'étape suivante consiste à utiliser leur commutation pour déclencher la production de produits chimiques de signalisation qui déclencheraient la réaction souhaitée des cellules. L'activité cellulaire est normalement contrôlée par la production de protéines, les commutateurs d'acides nucléiques devront donc avoir la capacité de produire suffisamment de molécules de signalisation pour induire un changement.

« Nous devons générer suffisamment de tout signal final nécessaire pour que la cellule réagisse, " a expliqué Santangelo. " Il existe des méthodes d'amplification utilisées dans la technologie de déplacement de brin, mais aucun d'entre eux n'a été utilisé jusqu'à présent dans des cellules vivantes."

Même sans cette dernière étape, les chercheurs ont le sentiment d'avoir construit une fondation qui peut être utilisée pour atteindre l'objectif.

"Nous avons pu concevoir certaines des constructions logiques de base qui pourraient être utilisées comme blocs de construction pour les travaux futurs, " a déclaré Santangelo. "Nous connaissons les concentrations de produits chimiques et les exigences de conception pour les composants individuels, nous pouvons donc maintenant commencer à assembler un ensemble plus compliqué de circuits et de composants."

Cellules, bien sûr, savoir déjà détecter les molécules toxiques et le développement de tendances malignes, et ensuite passer à l'action. Mais ces garanties peuvent être désactivées par des virus ou des cellules cancéreuses qui savent contourner les processus cellulaires naturels.

"Notre mécanisme donnerait simplement un coup de main aux cellules pour le faire, " a déclaré Santangelo. " L'idée est d'ajouter à la machinerie existante pour donner aux cellules des capacités améliorées. "

L'application d'une approche d'ingénierie au monde biologique distingue cet exemple des autres efforts visant à contrôler la machinerie cellulaire.

"Ce qui rend les circuits de déplacement de brin d'ADN uniques, c'est que tous les composants sont entièrement conçus de manière rationnelle au niveau de la séquence d'ADN, " a déclaré Seelig. " Cela rend vraiment cette technologie idéale pour une approche d'ingénierie. En revanche, de nombreuses autres approches pour contrôler la machinerie cellulaire reposent sur des composants empruntés à la biologie et qui ne sont pas entièrement compris. »