Исследователи создали компьютер из ДНК

[luft]

+++++++++++++++++++++++

Исследователи создали компьютер из ДНК


Исследователи создали логический вентиль - базовый элемент цифровой схемы, выполняющий элементарную логическую операцию - на основе молекул ДНК. Устройство теоретически способно работать внутри тела и, например, регулировать выделение лекарств, освобождая их только там, где это необходимо. Статья ученых опубликована в журнале Nature Nanotechnology. Коротко о работе пишет New Scientist.
Логический вентиль выдает тот или иной сигнал на выходе в зависимости от входных сигналов. В данном случае ученым удалось реализовать логические вентили, выполняющие различные логические функции, в частности функцию исключающего ИЛИ. В этом случае вентиль производит сигнал на выходе только в том случае, когда присутствует один из входных сигналов. Если же на вход не поступает ни одного сигнала или, напротив, поступают оба, то вентиль не генерит выходной сигнал.

Ключевыми элементами созданной авторами новой работы системы выступали комплементарные нити ДНК - то есть нити определенных последовательностей, которые образуют друг с другом прочное соединение. Каждая из нитей представляла значение 1, если присутствовала, и 0, если отсутствовала. Чтобы непосредственно наблюдать, какой сигнал нити создают на входе, ученые присоединили к ним флуоресцирующие молекулы. Когда на входе присутствовала только одна нить, молекула испускала свечение, а когда нитей было две, их флуоресценция взаимно гасилась.

Помимо создания единичного работающего логического вентиля ученые также получили систему из последовательно работающих вентилей, реализующих различные логические функции. Теоретически развитие этой работы может привести к созданию компьютера из ДНК, способного выполнять элементарные арифметические операции - сложение и вычитание. Кроме того, исследователи добились протекания нескольких последовательных операций - то есть сигнал на выходе одного устройства служил входным сигналом для следующего.

Авторы новой работы протестировали в пробирке, насколько полезным созданное ими устройство может быть для медицины. Ученые связали логический вентиль с молекулой, способной инактивировать тромбин - фермент, вызывающий сворачивание крови. В норме сворачивание крови позволяет избежать кровотечений, но при сердечно-сосудистых заболеваниях образующиеся сгустки крови представляют серьезную опасность для жизни человека. В созданной учеными схеме инактиватор тромбина выделялся только в том случае, если вентиль "натыкался" на фермент.

Создание компьютеров на основе биологических систем - не самое популярное, но достаточно активно развивающееся направление науки. Разные коллективы исследователей по-разному подходят к решению этого вопроса. Один из возможных подходов - это создание компьютеров из бактерий. Недавно такой компьютер смог решить классическую вычислительную задачу о сортировке блинов.

[luft]

++++++++

Компьютер из бактерий решил задачу о сортировке блинов


Ученые создали из генетически модифицированных бактерий "живой компьютер", способный эффективно решать классическую вычислительную задачу – о сортировке блинов. Результаты работы описываются в статье в журнале Journal of Biological Engineering.
В задаче о сортировке блинов (задаче о горелом блине, Burnt Pancake Problem) имеется стопка блинов разного размера, у каждого блина одна сторона – горелая, другая – золотистая. За одну операцию разрешается перевернуть один или несколько соседних блинов. Надо за как можно меньшее число операций отсортировать стопку по размеру (самый большой блин внизу), при этом все блины должны быть обращены золотистой стороной вверх.

Для решения этой задачи автор Кармелла Хэйнс (Karmella Haynes) и ее коллеги создали аналоговый компьютер из генетически модифицированных бактерий Escherichia coli (кишечная палочка). Аналогом блинов служат сегменты плазмидной ДНК. "Переворачивает" их рекомбиназа Hin/hix, позаимствованная у другого вида бактерий – Salmonella typhimurium.

Когда сегменты выстраиваются в нужном порядке, бактерия приобретает устойчивость к антибиотикам. Время, которое требуется микроорганизмам для того, чтобы прийти к решению, отражает минимальное количество шагов в математическом решении.

"Эта система имеет ряд преимуществ по сравнению с обычными компьютерами, – говорит Хэйнс. – В одной колбе могут находиться миллиарды бактерий, каждая из которых потенциально способна содержать несколько копий ДНК, используемой для вычислений. Такие «бактериальные компьютеры» могут работать параллельно, а это означает, что решение потенциально может быть достигнуто быстрее, чем на обычном компьютере". Кроме того, бактериальные компьютеры могут сами использовать механизмы починки, а также эволюционировать при многократном использовании.

Исследователи подчеркивают, что это первая демонстрация параллельных вычислений на биологическом компьютере, проведенных in vivo, а не in vitro. Отметим, однако, что три года назад принстонские ученые также сообщали об изготовлении похожего компьютера (тоже из E. Coli) – правда, выполнявшего более простые операции.