遺伝子プログラムは、ライブセルで圧縮され、自律的に分解される可能性があります

基本的なコンピューターサイエンスの概念は、試験管1〜13の新しい情報処理分子システムと、生細胞14-21の遺伝的にエンコードされた回路に影響を与えました。最近の研究では、ディープシーケンスと従来のソフトウェアを使用して実装されたDNAのデジタル情報ストレージが、ヌクレオチドあたり2ビットのうち22ビットの最大シャノン情報容量22にアプローチできることが示されています。自然界では、DNAは遺伝子プログラムの保存に使用されますが、エンコードの情報内容がこの最大24に近づくことはめったにありません。遺伝子プログラムの生物学的機能は、ヌクレオチドあたりの情報含有量をコードし、増加させる間、遺伝子プログラムの生物学的機能を保存できると仮定します。ここでは、遺伝子プログラムを圧縮するための実験的手順と、その後のヒト細胞での自律的な減圧と実行を説明することにより、この仮説をサポートします。テストベッドとして、他の多くの複雑な遺伝子回路15,18,26-28と同様に、冗長なDNA配列を含むため、圧縮に適しているRNAi細胞分類装置回路25を選択します。1つの例では、4つの遺伝的構造のみを使用して、10遺伝子4入力およびゲート回路の圧縮エンコードを実装します。遺伝子回路に適用される圧縮原理は、貨物容量が限られているDNA送達車両に複雑な遺伝子プログラムを適合させることができ、オンデマンド活性化のためにin vivoで圧縮および生物学的に不活性なプログラムを保存することができます。

Fundamental computer science concepts have inspired novel information-processing molecular systems in test tubes 1-13 and genetically encoded circuits in live cells 14-21 . Recent research has shown that digital information storage in DNA, implemented using deep sequencing and conventional software, can approach the maximum Shannon information capacity 22 of two bits per nucleotide 23 . In nature, DNA is used to store genetic programs, but the information content of the encoding rarely approaches this maximum 24 . We hypothesize that the biological function of a genetic program can be preserved while reducing the length of its DNA encoding and increasing the information content per nucleotide. Here we support this hypothesis by describing an experimental procedure for compressing a genetic program and its subsequent autonomous decompression and execution in human cells. As a test-bed we choose an RNAi cell classifier circuit 25 that comprises redundant DNA sequences and is therefore amenable for compression, as are many other complex gene circuits 15,18,26-28 . In one example, we implement a compressed encoding of a ten-gene four-input AND gate circuit using only four genetic constructs. The compression principles applied to gene circuits can enable fitting complex genetic programs into DNA delivery vehicles with limited cargo capacity, and storing compressed and biologically inert programs in vivo for on-demand activation.