An autonomous molecular computer for logical control of gene expression Yaakov Benenson, Binyamin Gil, Uri Ben-Dor, Rivka Adar & Ehud Shapiro, Nature. Vol 435, pp 423-429(2004) Summarized by Tak min-ho

Summarized by Tak min-ho Abstract of this paper 디지털 컴퓨터의 추상적인 모델인 automata를 이용해서 Prostate cancer (PC, 전립선 암), Small-cell lung cancer (SCLC, 폐 암)를 억제할 수 있는 방법으로 직접 디자인한 oligo-nucleotide (ssDNA)를 이용하여 각각의 cancer-related gene을 targetting한 후에 automata 이론으로 정립된 순서대로 각각의 expression 정도를 molecular - computer가 판단한 후에 최종적으로 ssDNA가 나와서 cancer를 일으키는 mRNA와 결합하여 drug로써의 작용을 하는 cancer inhibiting DNA computer 를 디자인 하였다. Prostate cancer 를 억제하기 위해서 cancer를 일으키는 특정 protein (MDM2)의 expression을 MDM2-mRNA에 상보적으로 작용하는 ssDNA를 디자인하여 ssDNA자체가 drug 또는 drug suppressor로 작용하는 in vitro 실험을 하여 인체에서도 molecular - computer의 적용 가능성을 보였다. Summarized by Tak min-ho

Logical design and logical operation of the molecular computer Automata의 기본 구성 요소인 input, computation, output 으로 디자인된 간단한 그림이다. Summarized by Tak min-ho

Logical design and logical operation of the molecular computer 만약 인체 내에서 prostate cancer에 관여하는 gene PPAP2B가 under- expression 되고 GSTP1도 under-expression 되고 PIM1과 HPN 은 over-expression 될때 prostate cancer가 존재한다고 판단하여 drug를 release 하도록 유도되는 과정을 automata이론을 토대로 디자인 한 것을 보여주는 그림이다. Summarized by Tak min-ho

Molecular components and computational step of a molecular automaton Hardware : Fok1 (GGATG(N)9^NNNN_)이라는 restriction enzyme(제한효소)를 이용하여 특정 sequence site를 cutting 해주는 작용을 한다. Software : Transition molecule은 target gene의 유무에 따라서 그 조합이 바뀔 수 있는 sequence 집합들이다. Input molecule : 단계적으로 target gene을 sense하면서 일정 크기로 Fok1에 의해서 잘려나가면서 가장 마지막 state에서는 cancer targetting drug가 release되게 된다. Summarized by Tak min-ho

Input module : software regulation by mRNA levels Summarized by Tak min-ho

Preparation of the 2 states oligo-nucleotides PIM1gene을 인지하기 위해서 필요한 2 states oligo-nucleotide (A,B)와 gel 상에서 각각의 dye를 이용하여 구분한 그림이다. 첫 번째 sequence는 inactive 되어있는 Yes->Yes state (positive state)로써 만약 PIM1 gene이 존재하면 upper sequence가 PIM1 gene과 binding 한 후에 lower sequence가 activation sequence로 들어온 CTGAGGATGCC sequence에 의해서 Yes->Yes inactive state를 active state로 바꿔 줄 수 있다. 두 번째 sequence는 active 되어있는 Yes->No state (negative state)로써 만약 PIM1 gene이 존재하면 upper sequence가 PIM1 gene과 binding 한 후에 lower sequence만 홀로 남거나 자체 sequence 비율 자체가 Yes->Yes state sequence에 비해서 떨어지게 된다. Summarized by Tak min-ho

Summarized by Tak min-ho Supplementary data PPAP2B는 under-expression되야 positive state로 가니까 PIM1의 경우와는 반대로 oligo-nucleotide sequence가 디자인 되어있다. 만약 PPAP2B라는 gene이 under-expression되어 있다면 TACTGTCTGATGAGATTGGATGGC가 PPAP2B와 결합하는 비율이 떨어지므로 positive state sequence가 증가하게 되어 다음 state로 넘어가게 된다. Summarized by Tak min-ho

Hardware and software combination Summarized by Tak min-ho

Operation of the molecular computer Input Computation Output Summarized by Tak min-ho

Operation of the molecular computer Summarized by Tak min-ho

Experimental demonstration of diagnosis Summarized by Tak min-ho

Experimental demonstration of diagnosis (more detail result) Summarized by Tak min-ho

Experimental demonstration of drug administration Wet 실험을 통해서 DNA computer의 output으로 나오는 drug와 drug suppressor의 비율 결과를 보여주는 그림이다. Summarized by Tak min-ho

Summarized by Tak min-ho Discussion 완벽한 molecular - computer를 만들기 위해서는 molecular components와 external parameters가 좀더 정확하게 디자인 되어야겠다. (Wet 실험 결과를 보면 부정확한 결과가 나왔으므로 in vivo 상에서 완벽하게 drug를 release하기란 어렵기 때문이다) 만약 Molecular computer의 보다 정확한 디자인이 완성된다면 multiple disease를 parallel diagnosis 할 수 있다. Hardware로 작용하는 Fok1 restriction enzyme은 autonomous DNA computer에 있어서 가장 중요한 부분을 차지한다. 하지만 인체 내에 Fok1이 들어가면 natural DNA 에 심각한 mutation을 일으킬 수 있기 때문에 어떻게 target gene까지 Fok1 enzyme을 주입시킬지 가장 의문점으로 남는다. Summarized by Tak min-ho