Jak DNA-počítače řeší logické úkoly  
Izraelští vědci vytvořili z biomolekul (řetězců DNA a enzymů) systém, který se podobně jako počítač dokáže pomocí algoritmů matematické logiky dopracovat k správné odpovědi.

Charles Bennett z Watsonovho výzkumného centra IBM již v roce 1982 poukázal na pozoruhodnou podobnost mezi způsobem, jakým buňky využívají databázi DNA k tvorbě bílkovin a způsobem, jakým počítač využívá databázi při řešení konkrétního problému. O dvanáct let později (1994) Leonard Adleman z Jihokalifornské university v Los Angeles předvedl, že shluk molekul DNA může vyřešit jednoduchý úkol z kombinatoriky podobně jako počítač. V roce 2002 předvedl již mnohem komplikovanější systém, který byl schopný řešit úkol s dvaceti proměnnými, skýtající asi milion možných řešení.


 

Prof. Ehud Shapiro

Letos se v srpnovém čísle časopisu Nature Nanotechnology objevil článek Molecular implementation of simple logic programs (Molekulární realizace jednoduchého logického programu) od trojice izraelských vědců z Weizmannova vědeckého ústavu: Tom Ran, Shai Kaplan a Ehud Shapiro. První dva jsou ještě mladí nadějní vědečtí greenhorni, ale poslední z trojice, prof. Ehud Shapiro, je v oblasti vývoje biokomputerů již ostříleným zálesákem.


Jeho tým v roce 2001 představil miniaturní programovatelné DNA počítače, které byly tak malé, že by se jich do objemu jediné kapky vody vměstnal asi bilion (1012). Zvládaly základní operace, jako například přeskenovat soubor jedniček a nul a zjistit, jestli je jedniček sudý počet. V roce 2004 Shapiro již předvedl prototyp, který umožňoval ve zkumavce odhalit rakovinové buňky a uvolnit molekuly, které je zničily. Zatím je však těžké posoudit, nakolik reálná je představa podobných biorobotů, které by tuto hlídací funkci dokázaly vykonávat přímo v lidském těle.


Nejnovější prototyp biopočítače ze Shapirovy laboratoře je schopný provádět jednoduché logické dedukce. Zvládá prý správně odpovídat i na složitější situace, související s nutností postupného vyřešení dílčích úkolů. Aby však „rozuměl“ našim požadavkům a dotazům, tým musel sestavit kompilátor – jakýsi překladač, který přemosťuje počítačový program s biopočítačovým kódem na bázi DNA. Kompilátor přeloží fakta a pravidla do jejich molekulární podoby. Robotický systém provede operace, které můžeme nazvat logickou dedukcí, a poskytne odpověď.


„Trénink“ takového počítače se provádí na jednoduchých logických implikacích. Počítači se zadají pravidla, například: „smrtelný(X) a muž(X), co v lidštině značí „každý muž je smrtelný“. A pak fakta, jako například: „muž(Socrates)“. Systém sestavený z biomolekul pak dokáže odpovídat na otázky „smrtelný(Sokrates)?“, čili v překladu: Je Sokrates smrtelný?, nebo „smrtelný(X)?“, tedy Kdo je smrtelný?


 

Logická „úvaha“ biopočítače na dotaz napsaný například: „smrtelný(Sokrates)?“ probíhá tak, že robotické systémy shromáždí různé řetězce DNA, odpovídající příslušným pravidlům a faktům a podle stanoveného hierarchického systému se získá správná odpověď. Ta se zobrazí zeleným světlem. Některé řetězce jsou totiž obohacené o molekulu biofluorescenční látky. Její světlo však stíní bílkovina. Jestli příslušný řetězec znamená správnou odpověď, speciální enzym odstraní bílkovinné stínidlo a světlo zviditelní. Drobné kapičky vody s obsahem bimolekulární databáze jsou prý sto správně odpovídat na poměrně komplikované dotazy a v podobě kombinací barevných signálů nastínit správné odpovědi. Jde tedy o řešení mnohem složitějších úkolů, než jenom pouhé ano-ne.


I když se o praktické aplikaci samostatných programovatelných biopočítačových zařízení nanometrových rozměrů zatím moc nemluví, mnozí jim předpovídají nadějnou budoucnost. Jsou dostatečně malé a jsou schopné reagovat na okolní biologické prostředí, což jsou vlastnosti vhodné pro aplikace v medicíně. Ale nejen tam, protože počítačové biosystémy prý budou schopné zvládnout milióny paralelních výpočtů.


Pro ty, kteří se o daném tématu chtějí dovědět více a nenechají se odradit odbornějším textem v angličtině, doporučujeme článek, který v polovině dubna uveřejnil na stránkách Molecular BioSystems biokomputerový expert z Harvardské university Yaakov Benenson: Biocomputers: from test tubes to live cells.


Beneson byl také jedním z autorů článku A universal RNAi-based logic evaluator that operates in mammalian cells, který v roce 2007 vyšel v časopisu Nature Biotechnology. I když je celý článek dostupný ZDE, na stránce Laboratoře pro molekulární automaty Harvardovy university je dostupná zajímavá a srozumitelná animace, jak takový biopočítač pracující uvnitř živé buňky a řešící základní úkol z kombinatoriky vlastně funguje. Animace, která se zpustí kliknutím ZDE, nebo na dolní obrázek, má komentář napsaný v angličtině. Abyste co nejlépe porozuměli a měli alespoň základní představu o mechanizmu molekulárního DNA-počítače, nabízíme vysvětlení k animaci v češtině (obsahuje původní text a volný, rozšířený překlad). Pokud nefunguje odkaz, vysvětlivky jsou i pod obrázkem s animací.


Kliknutím na obrázek se spustí animce, vysvětlivky v češtině najdete pod ním



_____________________________________________________________________

Volný překlad anglických vysvětlivek k animaci

1. Miniaturní implantovaná zařízení mohou monitorovat činnost a vlastnosti lidských buněk. Podle vědců jde o důležitý krok k biologickým počítačům, o "molekulární lékaře, kteří jsou vyrobeni výhradně z DNA, RNA a proteinu. Informace, které mohou poskytnout, představují revoluční způsob terapie směrované pouze na nemocné buňky nebo tkáně.

2. Pomocí vyhodnocování rovnic Booleovy logiky, budou tyto molekulární automaty v budoucnu schopné uvnitř buňky objevit cokoliv od mutace genu až po detekci jeho aktivity. Vstupními informacemi pro tyto "biopočítače” jsou molekuly ribonukleové kyseliny RNA, proteiny a chemické látky obsažené v buněčné cytoplasmě, Výstupem jsou signální molekuly bílkovin, které každá laboratoř pomocí základního vybaveni snadno rozpozná.

3. Výpočty biopočítačů jsou matematicky jednoduché. Přesto skýtají potenciál pro vytváření biosenzorů, nebo systémů, jež jsou schopné zaměřit se na specifické typy nebo skupiny buněk v lidském těle. Tyto molekulární automaty by se mohly podle nitrobuněčných signálů specificky zaměřit pouze na rakovinné, nebo nemocné buňky, přičemž ty zdravé by zůstaly nedotčeny.

4. Celý počítač je vlastně pouze sada genů, které byly vyrobeny a sestaveny v laboratoři do umělé DNA. Je to tedy jen program, který když se vpašuje do buňky, spustí tvorbu součástek biopočítače.

5. Geny pro tvorbu počítače se speciální technikou dopraví do buňky.

6. Přirozené mechanizmy, kterými si buňky tvoří vlastní bílkoviny podle vlastního genetického kódu, zapsaného v jaderné DNA, jsou rozšířeny o pokyny uměle vpravené DNA a ty jsou šablonou pro vytváření miniaturních biopočítačů uvnitř buněk.

7. Po dokončení syntézy molekulární počítač začne hned pracovat.

8. Jakmile jistá kombinace tří signálů detekuje zdravotní problém uvnitř buňky, signální molekuly spustí „výpočty“.

9. Na animaci žlutě zbarvená bílkovina představuje výstup z počítače. Tvoří se, když molekulární počítačový algoritmus zaznamená hledanou, s nemocí související kombinaci signálů.

10. Algoritmus výpočtu je ukrytý v kombinatorické logice (v Booleanově algebře) (A a B) nebo (C). Když je v buňce přítomný signál C, nebo oba A i B současně, biopočítač vytvoří bílkovinu (výstup "TRUE").

11. Existuje osm možných kombinací vstupních signálů. Následující animace ukazuje, jak na základě naprogramovaného algoritmu biopočítač odpovídá na jednotlivé případy.

12. Zde jsou vyznačeny kombinace, které spouštějí reakci, tedy výstup “true” v podobě produkce bílkoviny.

13. Součástky počítače, vytvořené na základě dodaných genů, jsou tři krátké, stočené molekuly dvouvláknové RNA, označované jako shRNA (short hairpin RNA) a dvě molekuly mediátorové mRNA – messenger RNA. Jedna slouží pro signály A i B. Druhá jenom pro signál C. Obě jsou programem pro stejnou bílkovinu na výstupu.

14. Molekuly shRNA jsou vytvořené tak, aby byly schopny pomocí mechanizmu, jež se nazývá interference RNA (RNAi), zaměřit se na molekuly mRNA a zničit je. Další animace poskytne vysvětlení, jak to zvládají.

15. Dicer (hráč v kostky) je v buňce existující enzym, který se naváže na shRNA a odstříhává z její molekuly konec uzavřený do kličky.

16. Další buněčný enzym, zvaný RISC, pak rozplete Dicerem zkrácenou shRNA a na jedno z jejich vláken se připojí.

17. RISC si pomocí vlákna shRNA, na které je navázán, najde cílovou oblast v mediátorové mRNA, čili úsek s komplementární sekvencí nukleotidů. Vlákno shRNA tak vlastně navádí RISC na místo určení.

18. Enzym RISC v spolupráci s jinými buněčnými mechanismy příslušnou mediátorovou RNA (mRNA) zničí.

19. Všechny tři molekuly shRNA mají stejný úkol, jen každá z nich je zaměřena na jiné oblasti v řetězci mRNA, jak to označují černé značky na animaci.

20. Když buňka nejeví hledané známky nemoci, pak molekuly mRNA jsou degradovány a biopočítač nevyprodukuje žádnou výstupní bílkovinu (výstupní signál).

21. Pravá molekula shRNA je určena pro interakci se vstupním signálem C. Ten zablokuje vliv enzymů Dicer a RISC na tuto shRNA. Proto nemůže přenést enzym RISC na příslušnou (na animaci spodní) mRNA a degradovat ji. Funkční mRNA, která se vytvořila na základě uměle vneseného genu, pak umožní vznik výstupní bílkoviny. A to bez ohledu na to, jestli je (na animaci) horní molekula mRNA funkční, nebo ne. To představuje logickou operaci "nebo".

22. Střední shRNA je zaměřena na signál B. Pokud se v buňce objeví, zablokuje působení enzymu Dicer na střední shRNA. To však nestačí na zachování horní mRNA, protože ji může zničit nezávisle fungující levá shRNA, která reaguje na signál A. Jestli se ten neobjeví (společně se signálem B), jejich společná mRNA bude zničena. Když se v buňce neukáže ani signál C, bude zničena i spodní mRNA a na výstupu nic nevznikne. Takže když se neobjeví signál C, pak samotný signál B (nebo jen samotný A) na vznik výstupní bílkoviny nestačí, musí signalizovat i A. (Součást logické operace „a“).

23. Levá shRNA interaguje se signálem A. Pokud jsou přítomny oba signály A i B, jejich mRNA se nezničí a to vede k produkci výstupní bílkoviny (bez ohledu na existenci, či neexistenci signálu C). Je to ekvivalent logické operace "a". Tedy pro uchování horní molekuly mRNA je nutná součinnost obou signálů A i B.

24. Když se všechny tři signály objeví spolu, uchová se funkčnost obou molekul mRNA (horní i spodní) a na výstupu vzniká signál (bílkovina).

25. Tento systém využívá logický algoritmus (A a současně B), nebo (C). Může být však přeprogramován na analýzu složitějších situací tím, že se zvýší počet molekul shRNA, na řetězci mediátorové mRNA se paralelně umístí vice cílových úseků a navýší se i počet molekul mRNA. V konečném důsledku to znamená, že pomocí vhodného rozšíření může být řešen jakýkoli logický algoritmus.


Zdroje: Weizmann Institute of Science, Wikipedia Odkazy na ostatní zdroje jsou v hypertextech přímo v článku

Datum: 15.10.2009 17:11
Tisk článku

Sémiotické primitivy v konstrukci gramatik - Faltýnek Dan
 
 
cena původní: 220 Kč
cena: 185 Kč
Sémiotické primitivy v konstrukci gramatik
Faltýnek Dan

Diskuze:

cokoliv od mutace genu až po detekci jeho aktivity

Roman Rodak,2009-10-16 13:32:24

ked sa povie cokolvek od 5 po 12 tak si to viem predstavit, ale pri "cokoliv od mutace genu až po detekci jeho aktivity" fakt netusim...

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace