Prvky logických obvodů z DNA  
Buňku můžeme vnímat i jako mikroskopický složitý počítač, v němž současně běží mnoho programů. Řídí se sice navzájem, ale mnohé z nich spouštějí vnější podněty - "vstupní data". Proto vůbec není absurdní představa, že jednou budeme umět buňku proměnit na miniaturní systém s rozmanitými počítači podobnými funkcemi. Tou nejjednodušší variantou by mohl být senzor reagující na konkrétní faktor – například teplotu, pH nebo jistý typ molekuly. Pro začátek je ale potřebné mít k dispozici dobře fungující logické prvky – hradla.

 

Zvětšit obrázek
Britští vědci vytvořili uvnitř bakterie E. coli z DNA jiných mikroorganismů zatím jednoduchý mechanismus, který funguje jako bio-logický prvek.

Čtyři britští vědci z londýnské Imperial College využili běžnou bakterii Escherichii coli (E.Coli) a pro ní cizorodé úseky DNA na „sestavení“ jednotky počítačového logického obvodu – hradla. Samozřejmě, že ho nehodlají využít v stávajících elektronických zařízeních, ale předpokládají vývoj mikroskopických biologických počítačů, neboli zatím spíše chytrých senzorů, které by mohly například plavat uvnitř tepen a odhalovat na jejich stěnách škodlivé usazeniny – aterosklerotické plaky, dopravovat léky do konkrétních míst v těle nebo usmrcovat nádorové buňky. Samozřejmě by našly aplikaci i ve vnějším prostředí mimo tělo, například pro neutralizaci toxinů a monitoring znečištění.


Jeden z autorů studie, jejíž výsledky zveřejnil časopis Nature Communications, Richard Kitney z Centra pro syntetickou biologii a inovace a z katedry bioinženýrství na Imperial College vysvětluje: "Logická hradla jsou základními stavebními kameny obvodů na bázi křemíku, na nichž je vybudován celý náš digitální věk. Bez nich bychom nemohli zpracovávat digitální informace. My jsme nyní prokázali, že můžeme napodobit tyto součásti pomocí bakterií a DNA. Doufáme, že naše práce povede k nové generaci biologických procesorů, jejichž využití při zpracování informací by mohlo být stejně důležité, jako u jejich elektronických protějšků."

Zvětšit obrázek
Jedna ze dvou testovaných variant NAND hradla. P označuje promotory genů, barevné šipky geny: hrpR, hrpS a cI zmiňuje text článku, gfp je gen pro zelený fluorescenční protein, který pomáhal zviditelňovat aktivitu na výstupu hradla. Kredit: Baojun Wang et al.; Nature Communications 2011

 

Těžko dnes odhadnout, nakolik je Kitneyova představa realistická. V každém případě je zajímavé získat alespoň mlhavou představu, jak by mohly genetické minisenzory pracovat, reagovat na konkrétní vnější podněty a na jejich základě se „rozhodovat“ pro další kroky.


Funkci bio-logického prvku zajišťuje kombinace aktivity a nečinnosti jeho genetických součástí. A ty mohou fungovat jenom ve vhodném prostředí, kde se nacházejí další potřebné komponenty. Tím nejideálnějším je samozřejmě živá buňka. Proto britští vědci potřebné součástky DNA hradla, které si vypůjčili od jiných mikroorganismů, „implantovali“ pomocí genetických manipulací do asi 2 mikrometry velké bakterie E. coli. Nejdříve vpašovali regulační modul z bakterie Pseudomonas syringae, která se vyskytuje v mnoha poddruzích napadajících různé rostliny. Z buňky tohoto rozšířeného patogenního organismu si vybrali dva geny hrpR a hrpS. Expresi (aktivitu = přepis genetické informace do příslušné posloupnosti aminokyselin) každého z nich spouští jiný specifický podnět z vnějšího prostředí. Výslednými produkty aktivity těchto genů jsou bílkoviny, jež patří mezi takzvané transkripční (přepisující) faktory. Když v prostředí začnou působit oba spouštěcí podněty současně a tedy hrpR i hrpS jsou aktivní, kombinace jejich dvou výsledných proteinů probudí k činnosti dalšího člena systému – promotor hrpL. Promotor je úvodní částí genu, signálním úsekem DNA, který navádí složky transkripčního aparátu na místo, v němž se mají na posloupnost nukleotidů navázat, začít číst genovou instrukci a překládat do mediátorové (messenger) mRNA (viz video).


Když to tedy shrneme, na výstupu se objeví signál = aktivní stav promotoru hrpL - jen tehdy, když na vstupu budou přítomny oba spouštěče aktivity genů hrpR a hrpS. Celý systém tak vlastně provádí logický součin: působí podnět A a zároveň podnět B. Funguje tedy jako logický člen AND. Širší využitelnost tohoto genetického hradla zajišťují dva promotory na jeho začátku, které mohou být navázány na jiné vstupní promotory a jeden promotor na konci, k němuž může být připojen libovolný genetický modul řídící nějakou konkrétní buněčnou odezvu.


Britové tuto možnost začlenění AND hradla ověřili tak, že na něj, přímo na výstupní promotor, připojili gen (cI), který  si vypůjčili od viru – bakteriofágu lambda, běžného patogenu pro bakterii E. coli. Tento lambda gen spolu se svým promotorem (PR) tvořily další variantu genetické brány - logický prvek NOT. Spojením AND a NOT vzniklo hradlo NAND (NotAND). Na jeho výstupu byl signál = aktivita genu cI, neustále s výjimkou doby, kdy byl v činnosti výstup AND hradla (tedy kdy byl aktivován jeho koncový promotor). 


 

To tedy značí, že logický člen NAND byl aktivní, když byla jeho AND součást neaktivní a naopak (negoval její výstup). Když se v prostředí objevily spouštěcí faktory aktivující první dva geny hrpR a hrpS, NAND přestal „vysílat“. Přehled kombinací vstupních a výstupní signálů nabízí tabulka.


Modularita (možnost obměny jednotlivých členů systému) AND a NAND hradel nabízí možnost připojení na vstup rozličných senzorů. Jejich případným sloučením lze začlenit vícero vhodných environmentální i nitrobuněčných signálů a tím i přesně stanovovat podmínky, na které by celé genetické čidlo mělo reagovat. Představa, že by nám – například - z času na čas v krvi kolovaly zvenčí dodané bakteriální buňky geneticky upravené tak, aby nejen neškodily, ale naopak, aby byly schopny identifikovat buněčné maligní zvrhlíky, připojit se na ně a zahubit, je zatím ze sci-fi scénáře. Ten je ale mnohem realističtější, než osídlování jiných planet za hranicí naší Sluneční soustavy. Obrovskou výhodou DNA „počítačů“ a senzorů je, že buňka je úžasné a úžasně komplikované, ale zároveň vskutku miniaturní „zařízení“. Jeho modifikace nabízejí bezpočet možností aplikace.



Video: Krátký úryvek z filmu Tajemství života z dílny PBS (Public Broadcasting Service) zjednodušeně přibližuje přepis DNA kódu do mediátorové (messenger) RNA a tvorbu výsledných proteinů podle příslušného genetického návodu.
 

 

Zdroj: Nature Communications, Imperial College London News

Datum: 27.10.2011 13:14
Tisk článku


Diskuze:

uvědomuji si rozdíl mezi binárním a digitálním

Pavel Brož,2011-10-28 15:45:05

ale ve skutečnosti jde o rozdíl, který je elementárně překlenutelný na "softwarové" úrovni. Mimochodem, můj denní chleba je práce s převážně assemblerovskými a cobolovskými moduly běžícími na mainfraimu, tam se velice běžně kombinují jak binární, tak staré dobré dekadické instrukce i odpovídající číselná kódování. Konverze bin-dec a naopak jsou jedny z nejčastěji vykonávaných procesorových instrukcí. Stejně tak by bylo možné samozřejmě implementovat instrukce pro libovolný jiný základ než je dvě a deset, takže rozdíl mezi binárním a digitálním je opravdu jenom formální.

Svého času jsem se hodně zajímal o analogové počítače, a existuje pár nádherných ukázek toho, jak se problém, který je exponenciálně náročný na digitálním stroji, dá velice jednoduše vyřešit odpovídajícím analogovým způsobem. Asi nejznámějším notoricky známým příkladem tohoto druhu je řešení úlohy obchodního cestujícího pomocí sítě provázků - úlohu najít nejkratší cestu mezi N městy propojenými cestami zadaných délek lze vyřešit tak, že si připravíte provázku úměrné délky, jejich konce přivážete k N kroužkům představujícím ta města, do jedné ruky vezmete počáteční kroužek (město), do druhé konečný, a roztáhnete tu síť - provázky natažené v přímce mezi krajními kroužky představují řešení té úlohy.

Bohužel analogová řešení mají své zásadní nevýhody, mezi která lze zahrnout v prvé řadě jejich neuniverzálnost. Stačí drobná modifikace úlohy - např. že cesta musí procházet několika vybranými městy - a celý ten analogový počítač je pak k ničemu. Oproti tomu u digitálního počítače se modifikací úlohy může třeba výrazně prodloužit čas výpočtu, nikdy se ale nestane, že by výpočet nemohl být proveden.

Zajímavé je, že ačkoliv příroda samozřejmě realizuje mnoho analogových řešení, např. v případě mnoha úchvatných evolucí vycizelovaných morfologií mnoha organismů, tak zpracovávání informací prakticky nikdy analogově nedělá. Nejlepší věc, kterou příroda na zpracování informací vymyslela, je nervový systém, a mozek jakožto jeho centrum. Tyto ale mají daleko předaleko k jakémukoliv analogovému počítači.

Odpovědět


oops ... zase špatně zařazeno

Pavel Brož,2011-10-28 15:46:54

ach to řazení - byla to ale samozřejmě moje chyba.

Odpovědět


Analog v nervovém systému

Vojtěch Kocián,2011-10-28 19:16:51

Já si vždycky myslel, že většina počítačů funguje na binární soustavě a dekadickou používá jen na komunikaci s uživatelem. Ale když se zamyslím, tak předávání dat pomocí XML nebo jiných textových formátů (což je zase moje doména) si podobné konverze také vynucuje.

Analogové počítače se svého času hojně využívaly v řídící technice (já už to nezažil). Na namodelování relativně složitého mechanického nebo tepelného systému stačilo správně pospojovat hrstku analogových elektronických součástek. Na digitální simulaci je potřeba relativně slušný výpočetní výkon, který byl v nějakých padesátých letech pouze ve sci-fi literatuře. Toto řešení obchodního cestujícího jsem neznal, děkuji za rozšíření obzorů.

I když nervový systém funguje v zásadě digitálně, ovlivnění "výpočtů" analogovým způsobem je poměrně běžná věc. Existuje spousta látek, jejichž koncentrace má vliv na posunutí prahu pro předání signálu u určitých skupin neuronů. Nevím, jestli je něco podobného používá i v umělých neuronových sítích, ale v přírodě to funguje velmi dobře jako velmi rychlé a účinné "přeprogramování" systému k určitému úkolu.

Odpovědět


ovlivnění prahové funkce

Pavel Brož,2011-10-28 20:20:50

Ano, v reálné neuronové síti se práh posunuje v důsledku mnoha vlivů - kromě zmíněných chemických látek také např. v důsledku okolního elektrického potenciálu. V bdělém stavu mozku hraje význačnou synchronizační roli elektromagnetická vlna o frekvenci cca 40 Hz, která je generována kolektivním působením neuronů tuším v čelních lalocích, a která při svém průchodu mozkem spouští salvy vzruchů u jiných neuronů v některých jiných oblastech. A ostatně i tady na oslu proběhl nedávno článek o ovlivňování úsudku působením vnějšího pulsního magnetického pole.

Odpovědět


Tie synchronizačné 40Hz vlny

Rudolf Dovičín,2011-10-29 03:19:32

vytvárajúce vedomie i spánok vychádzajú z 2 talamických zhlukov.

Odpovědět


děkuji za opravu

Pavel Brož,2011-10-29 14:57:13

už je to přece jen dost let, kdy jsem to četl. Každopádně tato vlna spouští synchronní salvy vzruchů u některých skupin neuronů, když jimi prochází. Je to vlastně fenomén, se kterým se v umělých neuronových sítích nepracuje, umělé neuronové sítě jsou postaveny na jednoduchém modelu, kdy to, zda daný neuron vypálí vzruch, je dán nějakou prahovou funkcí, event. funkcionálem, vstupních impulsů a také nějaké proměnné zohledňující vnitřní stav neuronu (v reálných neuronových sítích např. neuron musí mít i energii na to, aby vzruch vydal, bez ní ho nevyšle, i když na vstupech dostane totéž, co jindy; extrémním případem pak je odumřelý neuron, což nastává velice běžně po dlouhé neaktivitě neuronu - viz např. odumírání odpovídajících neuronů u slepců, atd.). Ta synchronizační vlna je příkladem toho, že v reálných neuronových sítích se uplatňují i jiné, než "kabelové" vlivy, tj. vlivy přicházející na dendritických vstupech.

Odpovědět

Bin vs Analog

John Bricklayer,2011-10-28 10:47:56

Nevím, když se snaží pracovat s přírodou, proč ji vnucovat binární soustavu, když analog ji jde tak rychle a bez chyb. Měli by se věnovat hybridům. Kolik taktů a časů potřebuje obyčejný CPU na výpočet násobení xbit čísel, když analog by to dokázal během jednoho taktu(i rychleji). A co se přesnosti týče, taky záleží kolikati bit CPU to je nebo kolik jich je spojeno serioparalelně(což by zvládly i hybridy - víc hlav víc ví). Naše oko taky nevidí v bin soustavě a funguje, jinak by jsme to nečetli. Nevidím budoucnost v hradlech, pokud chtějí zvyšovat rychlosti výpočtů (nejen).

Odpovědět


ten příklad s okem je úplně vedle

Pavel Brož,2011-10-28 12:26:38

Zpracování do oka dopadajícího elektromagnetického záření a jeho konverze na nervové implusy je naopak ukázkovým příkladem digitálního, nikoliv analogového zpracování. Prosím přečtěte si něco o očních purpurech a jejich fungování. Stejně tak fungování jakékoliv biologické neuronové sítě má nesrovnatelně blíže k digitálnímu zpracování informace než k analogovému. Každý neuron pracuje s prahovou funkcí, která ve výsledku funguje velice podobně, jako ořezávání signálu v digitálních elektronických součástkách, liší se víceméně v implementačních detailech, např. jestli jsou inhibiční anebo excitační, jestli po dosažení prahu vyšlou do axonu jeden signál anebo jestli spustí salvu opakovaných signálů, atd. atd..

Představa mozku coby analogového počítače je na hony vzdálená skutečnosti.

Odpovědět


Fuzzy

Vojtěch Kocián,2011-10-28 13:26:54

Svým způsobem to není čistě binární logika, má to nejblíže asi k fuzzy logice, ale ta je úrovňová a tedy má mnohem blíž k digitálnímu (i když ne vždy binárnímu) vyjádření než k analogovému.

V zásadě i to, že sčítání je pro člověka intuitivní, násobení mu už dá zabrat a mocninné a exponenciální funkce jsou pro matematicky nevzdělaného člověka mimo rozsah chápání (viz klasický příklad se zrníčky na šachovnici) je indicií k tomu, že mozek analogově nepracuje. V analogových procesech v přírodě hrají prim právě exponenciální a logaritmické funkce.

Odpovědět

ešte trochu inak

Roman Rodak,2011-10-28 10:28:56

1x1 je v poriadku. Tam ide o to keď platí len jedna podmienka (resp. je aktivovaný len 1 vstup), tak výstup hradla AND je neaktívny: 1x0 je 0, ale 1+0 je 1

Odpovědět

Ladislav Lang,2011-10-28 10:13:12

Jasně taky bychom mohli vyrábět logické obvody z delfínů, ale proč bychom něco takového asi dělali?

Odpovědět

člen AND

Roman Rodak,2011-10-27 15:36:22

Jedna chybička - AND je logický súčin, nie súčet. Inak zaujímavý článok, ale zdá sa mi, že to nie je novinka.

Odpovědět


díky

Dagmar Gregorova,2011-10-27 16:23:10

áno, máte pravdu 1x1=1 1+1=2... pôvodne to bolo dobre (vycházajúcm z orig. textu), ale pri poslednej korekci som to "opravila" :) :)
Prvá inuitívna myšlienka býva rozumnejšia...
Máte pravdu, s podobnými DNA obvodmi sa vedci hrajú už asi 10 rokov. Viď napr. súvisejúci článok.

Odpovědět


Ladislav Lang,2011-10-28 10:14:22

1+1=1
;)

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