Een analogie tussen de architectuur van elektronische computers en transcriptiefabrieken. (A) De architectuur van een Von Neumann-computer, waarin een de processor is verbonden met verschillende blokken in een werkgeheugen. (B) Een transcriptiefabriek slaat de moleculaire transcriptiemachinerie centraal op en kan selectief genen benaderen. (C) Het werkingsprincipe van een processor/geheugenarchitectuur gebaseerd op synthetische DNA-nanostructuren. (afb: Lennart Hilbert et. al./KIT)

In het menselijk lichaam verwerken cellen genetische informatie uiterst betrouwbaar en zeer snel. Hiervoor maken ze specifiek gebruik van specifieke DNA-fragmenten in de celkern. Onderzoekers van het technologisch instituut in Karlsruhe (KIT) hebben onderzocht hoe zo’n DNA-gebaseerde informatiesysteem werkt. Hun resultaten tonen aan dat dit proces vergelijkbaar is met processen in moderne computers en daarom als model zou kunnen dienen voor nieuwe typen DNA-gebaseerde computerchips.
Menselijke cellen bevatten ongeveer 20 000 genen op een twee meter lange DNA-streng, compact opgerold in een celkern van ongeveer 10 µm. Ter vergelijking: dit komt overeen met een 40 kilometer lange streng verpakt in een voetbal. Ondanks deze beperkte ruimte slagen cellen erin om razendsnel, binnen enkele minuten, de juiste genen te vinden en te activeren. Welke genen actief wordt varieert van cel tot cel. Nauwkeurige activering is cruciaal, omdat fouten in de genselectie kunnen leiden tot nare gevolgen voor cel en ook het hele organisme.

De studies van de KIT-onderzoekers tonen aan dat biomoleculaire condensaten de snelle maar betrouwbare activering van de juiste genen mogelijk maken. “Bimoleculaire condensaten zijn minuscule druppeltjes die zich op specifieke plaatsen op het DNA vormen, vergelijkbaar met de druppeltjes op de badkamerspiegel na een warme douche, en zich gedragen als olie in water”, zegt Lennart Hilbert van het KIT. “Ze bevatten moleculaire machines, oftewel een verzameling specifieke moleculen die nodig zijn voor genactivering.”
Dit proces doet denken aan een centraal principe uit de informatica dat ten grondslag ligt aan moderne computers en telefoons: de Von Neumann-architectuur. In deze architectuur kan één processor met hoge snelheid verbinding maken met één adres in een groot geheugen. De onderzoekers willen dit principe nu overbrengen naar kunstmatige, op DNA gebaseerde computerchips om in de toekomst de controle over biotechnologische en biomedische toepassingen mogelijk te maken.

“Om dergelijke biomoleculaire condensaten, de rekencentra van celkernen, te repliceren en kunstmatige DNA-nanostructuren voor computerchips te bouwen, combineren we klassieke labexperimenten met moderne computersimulaties. Met de digitale modellen van de DNA-nanostructuren kunnen we het gedrag van de condensaten begrijpen en zelfs voorspellen”, stelt medeonderzoekster Mona Wellhäusser.

Hiervoor simuleren de wetenschappers een systeem op de computer waarin enzymen als kleine machines werken en specifieke taken uitvoeren, zoals rekenen. Om ervoor te zorgen dat deze enzymen de juiste plek op het DNA bereiken, gebruiken ze oppervlaktecondensatie, waarbij de enzymen zich als vanzelf ophopen op specifieke plekken op het DNA; precies daar waar ze nodig zijn.
Als kandidaten die zich correct gedragen in de simulatie worden geïdentificeerd, worden ze in de praktijk gesynthetiseerd en in reageerbuizen getest op hun daadwerkelijke eigenschappen. Hilbert: “Dit versnelt het onderzoeksproces enorm, omdat computersimulaties veel minder tijd kosten dan labexperimenten. Tot nu toe hebben we ons slechts op één adres kunnen richten, maar met ons onderzoek effenen we de weg voor de ontwikkeling van een uitgebreider adressysteem en volledig nieuwe, op DNA gebaseerde opslag- en computersystemen waarvan de architectuur is gemodelleerd naar de natuur.”

Coronavirus

Het boodschapper-RNA-vaccin tegen het coronavirus en een recent succesvolle, patiëntspecifieke gentherapie hebben al het potentieel van DNA- en RNA-programmeerbare biotechnologieën aangetoond, stellen de onderzoekers. Een ander veelbelovend toepassingsgebied zijn DNA-chips voor de intelligente aansturing van kankertherapieën. Deze zouden immuuncellen specifiek kunnen herprogrammeren, zodat ze actief worden zodra ze kankercellen tegenkomen.

Bron: Alpha Galileo