Entwicklung "Rausch" resistenter biomolekularer Computer
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Projektes wurde ein biomolekularer Computer entwickelt, der in der Lage ist beliebige Berechnungen nach dem Konzept der boolschen Logic, innerhalb einer eukaryotischen Zelle, durchzuführen. Bei biomolekularen Computem handelt es sich um programmierbare, autonom auf molekularem Maßstab arbeitende Einheiten, die sich dadurch auszeichnen, dass ihre Bestandteile, also Input, Output, Soft- und Hardware, aus biologischen Molekuelen aufgebaut sind. Sie gewaehrleisten die direkte Analyse biologischer Information in ihrer natuerlichen biomolekularen Form, ohne diese in elektronische Daten umzuwandeln. Die Entwicklung des hier vorgestellten Biocomputers gestaltete sich dahingehend als schwierig, da zunaechst moegliche Stoerungen auf dem Wege der Signaluebertragung von Input zu Output aufgedeckt werden mussten, um diese anschliessend zu verringern oder wenn moeglich zu eliminieren. Dazu wurden zu Beginn Kontrollmechanismen entwickelt, die entweder die Signaluebertragung zwischen einzelnen Elementen sichtbar machten oder es ermoeglichten ungewuenschte Interaktionen quantitativ zu erfassen und somit die „reale" Rechenleistung des Biocomputers zu erfassen. Der hier entwickelte Biocomputer zeichnet sich durch seine Modularitaet (leichte Austauschbarkeit der einzelnen Basiselemente) und Skalierbarkeit (moegliche Erweiterung der Input-Anzahl) aus. Verschiedene (aktivierende wie reprimierende) Transkriptionsfaktoren (TF) werden als Input-Signale verwendet und regulieren die Expression korrespondierender Promotoren, die widerum spezifische miRNAs exprimieren. Diese miRNAs binden an Zielsequenzen im 3'UTR der mRNA des Output-Proteins (=> Prinzip: RNAi) und iniziieren dadurch deren sofortigen Abbau, wodurch die Translation des Output-Proteins verhindert wird. In Abhaengigkeit der vorhandenen TFs, sowie miRNA-Zielsequenz Kombinationen, koennen somit verschiedene Berechnungen druchgeführt werden, und die Effektivitaet dieser Methode wurde in Saeugetierzellen (HEK 293) gezeigt. Hierfür wurden exogene bakterielle TFs verwendet, die innerhalb der Saeugetierzelle exprimiert werden, und mehrere Berechnungen unterschiedlicher Logic mit 2 bis 3 verschiedenen TFs durchgeführt. Die Flexibilitaet dieses Biocomputers wird vor allem auch im Bezug auf zukuenftige wissenschaftliche Anwendungsmoeglichkeiten deutlich; durch Austausch der bakteriellen TFs durch endogene eukaryotische TFs koennte der Biocomputer verschiedene Zellzustaende detektieren, z. B. einen Krankheitszustand wie Krebs und die Krankheit durch Ausschuettung eines bioaktiven Molekuels (anstelle des „Fluoreszenz-Output-Proteins) heilen (=> drug delivery). Unterschiedliche TF Kombinationen representieren oft einen bestimmten Zellzustand z.B. im Zellzyklus. Dieses Wissen kann dazu verwendet werden, den Biocomputer als eine Art „Synchronisator" zu nutzen um Zellen die sich in verschiedenen „Zustaenden" befinden in einen bestimmten Zustand zu ueberführen. Die Universalitaet dieser Methode wird um so deutlicher wenn beruecksichtigt wird, dass anstelle von TFs jedes beliebige Biomolekuel als Input wie Output verwendet werden kann.
