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Wissenschaftler hacken Säugetierzellen, um winzige Biocomputer herzustellen

Wissenschaftler hacken Säugetierzellen, um winzige Biocomputer herzustellen

Wissenschaftler haben Säugetierzellen genetisch manipuliert, die in der Lage sind, logische Befehle und Berechnungen auf ähnliche Weise wie Computer auszuführen. Wissenschaftliche Bemühungen in der Gentechnik biologischer Zellen sind kein neues Forschungsgebiet. Andere Forscher haben zuvor organische Materialien verwendet und diese genetisch optimiert, um logische Aufgaben wie Zellen auszuführen, die leuchten, wenn der Sauerstoffgehalt sinkt. Diese Art der Gentechnik ist für bakterielle Organismen wie E. coli einfach, da sie leichter zu manipulieren sind.

[Bildquelle: Pixabay]

Genetische Schaltkreise

Frühere Versuche, genetische Schaltkreise in menschlichen Zellen zu erzeugen, haben zu Fehlern geführt, einfach weil die als Transkriptionsfaktoren bezeichneten Proteine, die das Ein- und Ausschalten der Gene bewirken, nicht einheitlich funktionieren.

Forscher der Boston University (BU) sind von diesen Transkriptionsfaktoren abgewichen und haben alternativ einen geeigneteren Ein- und Ausschaltenzym-Schalter verwendet, der als DNA-Rekombinase bekannt ist. Eine DNA-Rekombinase ist ein genetisches Rekombinationsenzym, das die Struktur von Genomen manipulieren und Genexpressionen wie das Ein- oder Ausschalten steuern kann. Rekombinase fungiert als Enzymschneidwerkzeug, indem selektive Teile eines DNA-Strangs herausgeschnitten und die abgetrennten Enden der Doppelhelix zurückgenäht werden.

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Die Wissenschaftler erstellten dann einen genetischen Schaltkreis namens "Boolesche Logik und Arithmetik durch DNA-Exzision" (BLADE) und betteten ihn in eine menschliche embryonale Niere ein. Die BLADE-Schaltung funktioniert, indem sie sich auf Rekombinasen unter der Kontrolle eines einzelnen Promotors stützt, der Schaltungssignale auf einer Transkriptionsschicht enthält. Durch die Verwendung von BLADE wurden 113 Schaltkreise in einer menschlichen embryonalen Niere und Jurkat-T-Zellen aufgebaut, wobei 109 Schaltkreise (96,5% Erfolgsrate) wie beabsichtigt funktionierten, ohne die Schaltkreise anpassen zu müssen. Mit dieser komplexen Manipulation von biologischem Material ist es dem Team gelungen, die genetischen Schaltkreise erfolgreich zum Laufen zu bringen. Eines der interessantesten Merkmale dieser Schaltung ist die Erstellung einer Booleschen Nachschlagetabelle aus menschlichen Zellen mit sechs verschiedenen Eingaben. Eine von 16 logischen Operationen wurde durch die Kombination der Eingaben ausgeführt.

Anwendungen für gehackte Zellen

Derzeit sind die Studien der BU-Forscher nur ein "Proof of Concept", aber das Team untersucht eine Reihe biologischer Möglichkeiten. Eine mögliche Verwendung dieser Technologie ist die Manipulation von T-Zellen zur Vernichtung von Tumorzellen durch Verwendung von Proteinen, die Biomarker für Krebszellen erkennen können. Die genetische Schaltung könnte auch verwendet werden, um Stammzellen in beliebige Zellen umzuwandeln, indem verschiedene Signale verwendet werden und auch Gewebe unter Verwendung von Befehlen erzeugt werden.

Diese Biocomputer können auch zur Diagnose von Krankheiten eingesetzt werden, indem sie mit Proteinen ausgelöst werden, die mit der spezifischen Krankheit assoziiert sind. Wenn beispielsweise die gentechnisch veränderten Zellen in Kombination mit der Blutprobe eines Patienten aufleuchten, ist das Ergebnis ein positiver Hinweis darauf, dass sie mit der Krankheit infiziert sind. Gegenwärtige Methoden zum Testen von Blutproben sind mühsam und teuer, so dass diese Art des wissenschaftlichen Fortschritts dem medizinischen Bereich viel Geld sparen könnte.

Eine intelligente biologische Manipulation mit vielen nützlichen Anwendungen, das ist in der Tat die Schönheit der Wissenschaft.

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