Beräkningsgen

Figur 1: Design av en beräkningsgen

En beräkningsgen är en molekylär automat som består av en strukturell del och en funktionell del; och dess design är sådan att den kan fungera i en cellulär miljö.

Den strukturella delen är en naturligt förekommande gen , som används som ett skelett för att koda inmatningen och övergångarna av automaten (Fig. 1A). De bevarade egenskaperna hos en strukturell gen (t.ex. DNA- polymerasbindningsställe, start- och stoppkodon och splitsningsställen) fungerar som konstanter för beräkningsgenen, medan de kodande regionerna, antalet exoner och introner , start- och stopppositionen kodon, och de automatteoretiska variablerna (symboler, tillstånd och övergångar) är designparametrarna för beräkningsgenen. Konstanterna och designparametrarna är länkade av flera logiska och biokemiska begränsningar (t.ex. kodade automatteoretiska variabler får inte kännas igen som skarvningsövergångar). Inmatningen av automaten är molekylära markörer som ges av enkelsträngade DNA (ssDNA)-molekyler. Dessa markörer signalerar avvikande (t.ex. cancerframkallande) molekylär fenotyp och sätter på självmontering av den funktionella genen. Om inmatningen accepteras, kodar utmatningen för en dubbelsträngad DNA (dsDNA)-molekyl, en funktionell gen som framgångsrikt bör integreras i det cellulära transkriptions- och translationsmaskineriet som producerar ett vildtypsprotein eller ett antiläkemedel (Fig. 1B) . Annars kommer en avvisad ingång att samlas till en delvis dsDNA-molekyl som inte kan översättas.

En potentiell tillämpning: in situ diagnostik och terapi av cancer

Beräkningsgener kan komma att användas i framtiden för att korrigera avvikande mutationer i en gen eller grupp av gener som kan utlösa sjukdomsfenotyper. ^{[ självpublicerad källa? ]} Ett av de mest framträdande exemplen är genen för tumörsuppressor p53 , som finns i varje cell och fungerar som ett skydd för att kontrollera tillväxten. Mutationer i denna gen kan avskaffa dess funktion, vilket möjliggör okontrollerad tillväxt som kan leda till cancer . Till exempel är en mutation vid kodon 249 i p53-proteinet karakteristisk för hepatocellulär cancer . Denna sjukdom skulle kunna behandlas av CDB3-peptiden som binder till p53-kärndomänen och stabiliserar dess veck.

En enskild sjukdomsrelaterad mutation kan sedan diagnostiseras och behandlas med följande diagnostiska regel:

om protein X_mutated_at_codon_Y then produce_drug fi (1)

Figur 2: Diagnostik av patogena mutationer

Figur 3: Terapi av patogena mutationer

En sådan regel kan implementeras av en molekylär automat bestående av två delvis dsDNA-molekyler och en ssDNA-molekyl, vilket motsvarar den sjukdomsrelaterade mutationen och tillhandahåller en molekylär switch för den linjära självmonteringen av den funktionella genen (Fig. 2). Genstrukturen kompletteras av ett cellulärt ligas som finns i både eukaryota och prokaryota celler . Cellens transkriptions- och translationsmaskineri är sedan ansvarig för terapin och administrerar antingen ett vildtypsprotein eller ett antiläkemedel (fig. 3). Regeln (1) kan till och med generaliseras till att involvera mutationer från olika proteiner, vilket möjliggör en kombinerad diagnos och terapi.

På detta sätt kan beräkningsgener möjliggöra implementering in situ av en terapi så snart cellen börjar utveckla defekt material. Beräkningsgener kombinerar teknikerna för genterapi som gör det möjligt att i genomet ersätta en avvikande gen med sin friska motsvarighet, samt att tysta genuttrycket (liknande antisense-teknologi).

Utmaningar

Även om det är mekaniskt enkelt och ganska robust på molekylär nivå, måste flera frågor åtgärdas innan en in vivo- implementering av beräkningsgener kan övervägas.

Först måste DNA-materialet internaliseras i cellen, specifikt in i kärnan . Faktum är att överföringen av DNA eller RNA genom biologiska membran är ett nyckelsteg i läkemedelstillförseln . Vissa resultat visar att nukleära lokaliseringssignaler kan kopplas irreversibelt till ena änden av oligonukleotiderna, vilket bildar ett oligonukleotid-peptidkonjugat som möjliggör effektiv internalisering av DNA in i kärnan.

Dessutom bör DNA-komplexen ha låg immunogenicitet för att garantera deras integritet i cellen och deras resistens mot cellulära nukleaser . Nuvarande strategier för att eliminera nukleaskänslighet inkluderar modifieringar av oligonukleotidryggraden såsom metylfosfonat och fosfortioat (S-ODN) oligodeoxinukleotider, men tillsammans med deras ökade stabilitet har modifierade oligonukleotider ofta förändrade farmakologiska egenskaper.

Slutligen, i likhet med vilket annat läkemedel som helst, kan DNA-komplex orsaka ospecifika och toxiska biverkningar. In vivo- applikationer av antisens-oligonukleotider visade att toxicitet till stor del beror på föroreningar i oligonukleotidberedningen och avsaknad av specificitet för den speciella sekvens som används.

Utan tvekan kommer framsteg inom antisens bioteknik också att resultera i en direkt fördel för modellen med beräkningsgener. ^{[ citat behövs ]}

Se även