Формирование капель воды путем разделения фаз жидкость-жидкость (или коацервации) в макромолекулах является горячей темой исследований в области наук о жизни. Из этих различных макромолекул, образующих капли, ДНК весьма интересна, потому что она предсказуема и программируема, а это качества, полезные в нанотехнологии. Недавно программируемость ДНК была использована для конструирования и регуляции капель ДНК, образованных путем коацервации ДНК с разработанной последовательностью.
Группа ученых из Токийского технологического университета (Tokyo Tech) под руководством профессора Масахиро Такиноуэ разработала вычислительную каплю ДНК, способную распознавать определенные комбинации химически синтезированных микроРНК (миРНК), которые действуют как биомаркеры опухолей. Используя эти микроРНК в качестве молекулярного входа, капли могут давать выходные данные логических вычислений ДНК посредством физического разделения фаз капель ДНК. Профессор Такиноуэ объясняет необходимость таких исследований: «Сообщалось о применении капель ДНК в клеточных микрокомпартментах . молекулярные вычисления».
Разработка этой капли ДНК потребовала серии экспериментов. Во-первых, они разработали три типа Y-образных наноструктур ДНК, называемых Y-мотивами A, B и C, с 3 липкими концами, чтобы получить капли ДНК A, B и C. Как правило, похожие капли объединяются автоматически, в то время как для соединения разнородных капель требуется специальная молекула «линкера». Итак, они использовали линкерные молекулы для соединения капли А с каплями В и С; эти линкерные молекулы были названы линкерами АВ и АС соответственно.
В своем первом эксперименте они оценили операцию «И» в смеси капель AB, введя 2 исходные ДНК. В этой операции наличие входа записывается как 1, а его отсутствие записывается как 0. Разделение фаз смеси капель AB произошло только в (1,1), что означает, что присутствуют обе входные ДНК, что свидетельствует об успешном применении И. операция. После этого исследования ученые решили ввести маркеры рака молочной железы, миРНК-1 и миРНК-2, в смесь капель AC в качестве входных данных для операции AND. Операция AND прошла успешно, что означает, что вычислительная капля ДНК идентифицировала микроРНК.
В последующих экспериментах команда продемонстрировала одновременные операции И и НЕ в смеси AB с биомаркерами рака молочной железы миРНК-3 и миРНК-4. Наконец, они создали смесь капель ABC и ввели в этот раствор все 4 биомаркера рака молочной железы. Разделение фаз в капле ABC зависело от расщепления линкера, что приводило к двухфазному или трехфазному разделению.
Это свойство капли ABC позволило исследователям продемонстрировать способность обнаруживать набор известных биомаркеров рака или обнаруживать маркеры трех заболеваний одновременно. Профессор Такиноуэ, который также является автором соответствующей статьи, видит огромный потенциал в вычислительных каплях ДНК. По его словам, «если можно разработать каплю ДНК, которая может интегрировать и обрабатывать несколько входных и выходных данных, мы сможем использовать ее для раннего выявления заболеваний, а также в системах доставки лекарств. Наше текущее исследование также служит ступенькой для исследований в области разработки интеллектуальных искусственные клеток и молекулярных роботов».
