Leki ingerujące w DNA
Naukowcy z Cedars-Sinai Medical Center (USA) opracowali eksperymentalne leki, ingerujące w DNA. Jak twierdzą, to prototyp substancji, które będą mogły np. naprawiać serca po zawałach i skutki innych groźnych chorób.
Badacze przeanalizowali genetycznie materiał RNA znajdujący się w egzosomach
.„Badając mechanizmy terapii komórkami macierzystymi, odkryliśmy sposób na leczenie organizmu bez użycia samych komórek macierzystych” – wyjaśnił dr Eduardo Marbán, główny autor badania opisanego na łamach magazynu „Science Translational Medicine”.
Dodał, że lek oznaczony TY1 jest pierwszym egzomerem – nową klasą leków, które zwalczają uszkodzenia tkanek w nieoczekiwany sposób. Związek ten jest laboratoryjnie wytworzoną wersją cząsteczki RNA, która naturalnie występuje w organizmie.
Naukowcy wykazali, że TY1 wzmacnia działanie genu o nazwie TREX1, który pomaga komórkom układu odpornościowego usuwać uszkodzone DNA. W ten sposób TY1 naprawia uszkodzone tkanki.
Badacze podkreślili, że opracowanie TY1 zajęło ponad dwie dekady. Historia zaczęła się w poprzednim laboratorium dr Marbána w Johns Hopkins University, gdzie opracowano technikę izolowania komórek progenitorowych z ludzkiego serca.
Komórki progenitorowe mogą przekształcać się w nowe, zdrowe tkanki i np. wspierają regenerację mięśnia sercowego.
Zespół dr Marbána odkrył, że komórki progenitorowe serca wydzielają małe pęcherzyki – egzosomy wypełnione cząsteczkami RNA pomagającymi naprawiać uszkodzoną tkankę mięśnia.
„Egzosomy są jak koperty zawierające ważne informacje. Chcieliśmy rozłożyć te zakodowane wiadomości na części i ustalić, które cząsteczki same w sobie mają działanie terapeutyczne” – opowiada jeden z twórców potencjalnego leku, dr Ahmed Ibrahim.
Badacze przeanalizowali genetycznie materiał RNA znajdujący się w egzosomach. Odkryli, że jedna cząsteczka RNA występowała w nich znacznie liczniej niż pozostałe, co sugerowało, że może uczestniczyć w procesie gojenia tkanek.
Jak powstały Leki ingerujące w DNA?
.Jak się okazało, naturalna cząsteczka RNA skutecznie wspomagała gojenie po zawale serca u zwierząt laboratoryjnych.
TY1 jest natomiast syntetyczną, specjalnie zaprojektowaną wersją tej cząsteczki RNA, stworzoną tak, by naśladowała strukturę zatwierdzonych już klinicznie leków RNA. TY1 działa poprzez zwiększenie produkcji komórek odpornościowych, które odwracają uszkodzenia DNA, co ogranicza powstawanie blizny po zawale serca.
„Poprawiając naprawę DNA, możemy leczyć uszkodzenia tkanek powstające podczas zawału serca” – podkreślił dr Ibrahim.
„Jesteśmy wyjątkowo podekscytowani, ponieważ TY1 działa także w innych schorzeniach, w tym w chorobach autoimmunologicznych, w których organizm błędnie atakuje zdrowe tkanki. To całkowicie nowy mechanizm regeneracji tkanek otwierający nowe możliwości terapii dla wielu różnych zaburzeń” – podsumował.
Pamięć zapisana w DNA. Na styku biotechnologii i informatyki
.Z punktu widzenia informatyki DNA jako potencjalne medium przechowywania danych ma wspaniałe właściwości – piszą prof. Aleksandra OBRĘPALSKA-STĘPLOWSKA i prof. Maciej J. OGORZAŁEK.
WXXI wieku obserwujemy znaczące przyspieszenie generowania różnego typu danych, dotyczących wszystkich aspektów naszego życia. Powstaje potrzeba ich archiwizacji. Chcemy przechowywać pliki tekstowe, graficzne, muzyczne, filmy, duże zbiory danych i całe systemy operacyjne, wykorzystywane od telekomunikacji, poprzez prognozowanie zjawisk klimatycznych, dokumentację medyczną, aż do dotyczących funkcjonowania firm czy jednostek administracyjnych.
Same informacje pozyskiwane przez naukowców przyrastają w ostatnich latach w tempie wykładniczym. Prognozy Samsunga wskazują na wzrost wolumenu danych w najbliższych latach do astronomicznych rozmiarów 175 ZB (zettabajtów = 175 tryliardów (1021) bajtów) w roku 2025. Istniejące technologie i systemy pamięci półprzewodnikowych, magnetycznych i innych mimo niezwykłych osiągnięć w zmniejszaniu ich rozmiarów wydają się niewystarczające do obsługi tak wielkich objętości danych. Opracowanie nowych technologii o ogromnych możliwościach, dotyczących takich parametrów, jak pojemność, szybkość dostępu/odczytu i zapisu, staje się w dzisiejszej dobie konieczne dla dalszego postępu i stworzenia nowych repozytoriów danych cyfrowych.
Przechowywanie tak dużej ilości danych, możliwość ich kopiowania, przekazywania oraz skuteczne mechanizmy kontroli ich poprawności i korekty błędów – to naturalne cechy kwasu dezoksyrybonukleinowego, DNA. Gdy dodamy do tego, że DNA można wyizolować i poznać jego sekwencję (czyli zakodowaną w nim informację), nawet jeśli pochodzi z dobrze zakonserwowanych skamielin sprzed tysięcy lat, to mamy nośnik idealny. I DNA jest idealnym nośnikiem danych biologicznych, czego dowodem są wszystkie organizmy żywe na świecie. Nic więc zatem dziwnego, że coraz częściej upatruje się w DNA alternatywnego nośnika danych cyfrowych.
Wychodząc naprzeciw współczesnym wyzwaniom, zaczęto poszukiwać nowych rozwiązań dla pamięci o dużej gęstości, długim czasie przechowywania i niskiej cenie. Właściwości DNA, jego gęstość fizyczna i duża trwałość w znacznym stopniu spełniają wymagania dotyczące długoterminowego przechowywania dużych zbiorów danych. Prowadzone dotąd analizy ogromnych ilości danych dotyczących DNA oraz funkcjonalnych właściwości związanych z sekwencjonowaniem prowadzą nie tylko do zrozumienia mechanizmów przechowywania informacji w strukturach tego typu i ich powiązania z działaniem organizmów żywych. Badania te zwróciły też uwagę na całkiem nowe możliwości oraz doprowadziły do sformułowania nowych hipotez i problemów badawczych, w szczególności w dziedzinie informatyki. Pokazanie możliwości edycji genomów z wykorzystaniem technologii CRISPR-Cas(Nagroda Nobla dla J. Doudna i E. Charpentier) uruchomiło intensywne badania w dziedzinie biologii molekularnej, Natychmiast pojawiły się również hipotezy dotyczące możliwości zapisudowolnych danych cyfrowych w oparciu o sekwencje DNA.
Warto wspomnieć, że sama idea przechowywania danych w DNA pojawiła się dość dawno i wyprzedziła mocno możliwości technologiczne. Pierwsze pomysły takiego wykorzystania DNA datuje się na lata 50. XX wieku, ale faktyczną próbę wdrożenia tego rozwiązania przypisuje się Joe Davisowi, naukowcowi z Massachusetts Institute of Technology (MIT), który w latach 80. XX wieku, łącząc sztukę z nauką, postanowił zapisać w DNA starożytną germańską runę oznaczającą życie (projekt „Microvenus”). Zapis powstał najpierw w postaci binarnej, a następnie został przepisany na kod DNA o długości 28 par zasad. DNA został następnie zsyntetyzowany i wprowadzony do genomu bakterii Escherichia coli.
Od tego czasu eksperymentalnie zakodowano w DNA wiele danych. Na przykład w genomach dwóch bakterii, E. coli i Deinococcus radiodurans – zdolnej przeżyć w wyjątkowo ekstremalnych warunkach, w tym w próżni, przetrwać wysuszenie, dawkę promieniowania jonizującego czy ultrafioletowego – zapisano fragment piosenki dla dzieci „It’s a Small World”. Zaś wiele lat później, w ramach projektu realizowanego w Europejskim Instytucie Bioinformatyki w Hinxton, w DNA zakodowano wszystkie 154 sonety Szekspira.
Jak wygląda zapisywanie danych cyfrowych w DNA? Podstawowym etapem związanym z archiwizacją danych na nośniku DNA jest przekodowanie informacji cyfrowej na sekwencję nukleotydów w DNA. W przeciwieństwie do zero-jedynkowego systemu binarnego (0,1), służącego do zapisu danych, DNA funkcjonuje w kodzie 4-literowym, gdyż zbudowany jest z czterech typów nukleotydów (A, T, G, C). Opracowano już odpowiednie algorytmy „przepisujące” ciągi bitów na sekwencję DNA.
Kolejnym etapem jest zorganizowanie tych danych w bibliotekę do możliwie długiego przechowywania. Dzięki rozwojowi biologii syntetycznej istnieje możliwość maszynowej syntezy sekwencji DNA, w której uprzednio zakodowano dane cyfrowe, w wielu kopiach fizycznych (obecność kopii jest również istotna dla weryfikacji ewentualnych błędów w zapisie). Zsyntetyzowany materiał DNA może być następnie przechowywany in vivo (czyli sklonowany i wprowadzony do komórek organizmów żywych) lub, co jest powszechniejsze po 2012 roku, in vitro (poza organizmami żywymi, np. zamrożony w roztworze lub zliofilizowany i przechowywany w odpowiednich warunkach). Tu warto dodać, że przechowywanie danych in vivo powoduje mniejszą gęstość upakowania, a więc rośnie ich objętość, co wynika z relatywnie sporych rozmiarów komórek. Dlatego wydaje się, że w najbliższych latach będzie dominować przechowywanie danych pozakomórkowe (in vitro).
Tekst dostępny na łamach Wszystko co Najważniejsze: https://wszystkoconajwazniejsze.pl/aleksandra-obrepalska-steplowska-maciej-ogorzalek-pamiec-zapisana-w-dna/
PAP/MB
