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An autonomous molecular computer for logical control of gene expression

DNA运算 计算机科学 计算生物学 DNA 点突变 计算 软件 信使核糖核酸 基因 生物系统 突变 理论计算机科学 生物 算法 遗传学 程序设计语言
作者
Yaakov Benenson,Binyamin Gil,Uri Ben-Dor,Rivka Adar,Ehud Shapiro
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:429 (6990): 423-429 被引量:817
标识
DOI:10.1038/nature02551
摘要

Early biomolecular computer research focused on laboratory-scale, human-operated computers for complex computational problems1,2,3,4,5,6,7. Recently, simple molecular-scale autonomous programmable computers were demonstrated8,9,10,11,12,13,14,15 allowing both input and output information to be in molecular form. Such computers, using biological molecules as input data and biologically active molecules as outputs, could produce a system for ‘logical’ control of biological processes. Here we describe an autonomous biomolecular computer that, at least in vitro, logically analyses the levels of messenger RNA species, and in response produces a molecule capable of affecting levels of gene expression. The computer operates at a concentration of close to a trillion computers per microlitre and consists of three programmable modules: a computation module, that is, a stochastic molecular automaton12,13,14,15,16,17; an input module, by which specific mRNA levels or point mutations regulate software molecule concentrations, and hence automaton transition probabilities; and an output module, capable of controlled release of a short single-stranded DNA molecule. This approach might be applied in vivo to biochemical sensing, genetic engineering and even medical diagnosis and treatment. As a proof of principle we programmed the computer to identify and analyse mRNA of disease-related genes18,19,20,21,22 associated with models of small-cell lung cancer and prostate cancer, and to produce a single-stranded DNA molecule modelled after an anticancer drug.
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