Биомолекулярные вычисления (стр. 2 из 3)
За счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестраивающих и омолаживающих ткани организма, можно будет достигнуть бессмертия человека. Наноробот, помещенный в организм, сможет самостоятельно передвигаться по кровеносной системе и очищать его от микробов или зарождающихся раковых клеток, а саму кровеносную систему избавлять от отложений холестерина.
В промышленности произойдет замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. В распоряжении у человека могут появиться персональные синтезаторы и копирующие устройства, позволяющие изготовить любой предмет. Изменения произойдут и в сельском хозяйстве. Комплексы из молекулярных роботов придут на смену растениям и животным. Химические процессы, которые происходят в живом организме, будут воспроизводиться более коротким и эффективным путем. Станет возможным восстановление вымерших видов, так как биологи получат возможность внедряться в живой организм на уровне атомов. И, наконец, огромное количество роботов-молекул будет выпущено в околоземное космическое пространство. Они подготовят его для жизнедеятельности человека, сконструируют космические станции из подручных материалов метеоритов, комет.
Но не так всё безоблачно. Предположим, что в устройстве, занимающемся разбором до атомов промышленных отходов, произойдет сбой, и оно начнет уничтожать все подряд. С развитием технологий могут появиться нанороботы, способные конструировать оружие. Овладев секретом создания такого смертоносного малыша, его можно воспроизводить в большом количестве.
И для этого не потребуется большая группа людей это может сделать даже один человек.
Джоан Макдональд и её команда из университета Колумбии в Нью-Йорке построили ДНК-компьютер, способный каждый раз обыгрывать человека в крестики-нолики либо доводить игру до ничьей.
Технически компьютер состоит из набора миниатюрных колодцев (микроколб) с определёнными цепочками ДНК внутри. Эти цепочки подобраны так, чтобы играть роль логических вентилей. Всего в машине, названной MAYA-II, 128 вентилей, выполняющих логические действия типа «да» и «и». Есть там ещё ряд других молекул, необходимых для работы.
В качестве входных сигналов авторы аппарата использовали короткие фрагменты ДНК, в которых был закодирован ход человека, и которые добавляли во все колодцы. Ответ компьютера – флуоресцентное свечение на определённой частоте и в определённых колодцах, которое активировалось логическими вентилями машины благодаря цепочке биохимических реакций.
2003 год
Научно-исследовательский институт Вейцманна в Израиле вновь привлек к себе внимание общественности. На этот раз группа ученых усовершенствовала разработанное год назад устройство, поручив одной-единственной молекуле ДНК роль средства ввода данных и одновременно источника питания. Устройство было оценено в научном мире и попало в Книгу рекордов Гиннеса как самое микроскопическое биологическое вычислительное устройство. Надо сказать, что рекордсмен снаружи выглядит как капля прозрачной жидкости в пробирке.
Ученые из института Технион в Израиле создали самособирающийся нанотранзистор. Для разработки этого устройства они использовали особенности структуры ДНК и электронных свойств углеродных нанотрубок. Сначала исследователи покрыли частицы молекулы ДНК белками бактерии E. coli. После этого они связали с ДНК покрытые антителами нанотрубки. В процессе создания устройства также участвовали ионы золота и серебра. Получившаяся в результате всех манипуляций конструкция работает как транзистор.
2004 год ДНК для хранения информации и лечения рака
И опять израильский институт Вейцманна в центре внимания: исследователи разработали микроскопические устройства, которые можно внедрять в кровоток. Они будут диагностировать онкологические заболевания и выпускать в нужном месте лекарства.
Устройства построены на базе синтетических ДНК. Часть цепи служит для определения высокой концентрации РНК определенного вида, которые вырабатываются раковыми клетками. Другая часть молекулярной цепи является хранилищем и управляющей структурой для еще одной нуклеотидной последовательности лекарства. Этот фрагмент ДНК, выпущенный в нужном месте, подавляет активность гена, вовлеченного в процесс развития рака.
Ученые продемонстрировали несколько деталей биологической молекулярной машины, которая успешно идентифицировала в пробирке клетки, соответствующие раку простаты и раку легких. До полноценного устройства, которое можно было бы применять в борьбе с раковыми заболеваниями, еще далеко. Однако ученые сделали важный шаг на пути создания молекулярных медицинских ДНК-роботов.
Профессор Ричард Киль и его коллеги из университета Миннесоты разработали экспериментальные биоэлектронные схемы. Американские ученые использовали цепочки ДНК для создания плоской ткани, несколько напоминающей застежку-липучку велькро, только на наноуровне.
Проводимые опыты продемонстрировали, как искусственные фрагменты ДНК самостоятельно собрались в заранее рассчитанную структуру. С регулярным шагом на этой структуре образовались липучки, которые способны принять другие сложные органические молекулы или различные металлы.
Авторы проекта закрепляли такие молекулы на ткани, сформированной ДНК, будто радиодетали на пластмассовой плате. Нанокомпоненты, собранные на основе ДНК, теоретически могут создать схему с характерным расстоянием между деталями в одну треть нанометра. А поскольку такие компоненты могут сохранять электрические или магнитные заряды, испытываемая в Миннесоте технология это прообраз будущей технологии создания сверхбыстродействующих электронных схем с высокой плотностью упаковки информации. Они будут совмещать органические и неорганические компоненты.
Техника, ранее используемая для анализа цепочек ДНК, теперь применяется как эффективное оружие в борьбе со спамом. Алгоритм Chung-Kwei (названный в честь талисмана, оберегающего от злых духов) может «отловить» до 97% существующего спама среди ваших входящих сообщений.
Ранее алгоритм использовался для поиска повторяющихся цепочек в ДНК. Теперь в программу закладывается 65,000 образцов спама, а затем e-mail обрабатывается как цепочка ДНК, на предмет наличия совпадений. Фирма IBM собирается включить алгоритм Chung-Kwei в свой коммерческий анти-спамовый продукт под названием SpamGuru.
2005 год ни шагу на месте!
Ученые из университета Мичигана совместно с Юнсэон Чой применили молекулы ДНК для построения наночастиц с заданными свойствами. Исследователи работали с так называемыми дендримерами крошечными разветвленными полимерами, концы которых могут содержать различные молекулы.
Сначала Юнсэон Чой синтезировал несколько отдельных звеньев дендримеров, каждое из которых снабжалось молекулой лекарства и небольшим фрагментом половинки ДНК. При смешивании всех этих ингредиентов ДНК соединялись в соответствии с дополнительными парами оснований и автоматически сшивали короткие звенья полимера в длинные комплексы. Такие дендримеры могут избирательно поставлять пять отдельных лекарств пяти видам клеток. Отмечу, что синтез такой молекулы по методике Чоя занимает 10 шагов, вместо 25 при использовании прежних технологий.
Специально спроектированные полимеры могут использоваться для обнаружения больных тканей, точной доставки лекарств к нужным клеткам и т.д. Недостаток данной технологии в том, что синтез нужных цепочек может занимать в некоторых случаях по несколько месяцев.
В настоящее время область ДНК-вычислений пребывает на том этапе подтверждения концепции, когда возможность реального применения лишь маячит на горизонте. С уверенностью можно утверждать, что в ближайшие десятилетия технология громко заявит о себе, продемонстрировав свои реальные возможности. А пока можно лишь гипотетически просчитывать, насколько полезны или вредны ДНК-компьютеры для человечества.
Элементарные операции с ДНК
Комплементарность оснований заключается в том, что образование водородных связей при соединении одинарных цепочек ДНК в двойную цепочку возможно только между парами А-Т и Г-Ц. Этот же рисунок иллюстрирует операции ренатурации и денатурации. Ренатурация – это соединение двух одинарных цепочек ДНК за счет связывания комплементарных оснований. Денатурация – разъединение двойной цепочки и получение двух одинарных цепочек. Денатурация и ренатурация происходят при нагревании и охлаждении раствора с ДНК соответственно. Плавление ДНК происходит в диапазоне температур 85-95°C. Некоторые катализаторы позволяют понизить температуру этого процесса.
Удлинение и дополнение цепочки ДНК. Удлинение цепочки ДНК происходит при воздействии на исходную молекулу ферментов – полимераз. Для работы полимеразы необходимо наличие:
1. одноцепочечной матрицы, которая определяет цепочку добавляемых нуклеотидов по принципу комплементарности оснований;
2. праймера – двухцепочечного участка, который присоединен к матрице, и к которому присоединяются свободные нуклеотиды;
3. свободных нуклеотидов в растворе.
Укорочение и разрезание.За укорочение и разрезание молекул ДНК отвечают ферменты – нуклеазы. Различают эндонуклеазы и экзонуклеазы. Экзонуклеазы осуществляют укорочение молекулы ДНК с концов (рис. 6), эндонуклеазы же разрушают внутренние фосфодиэфирные связи в молекуле ДНК (рис. 7). Экзонуклеазы могут укорачивать одноцепочечные молекулы и двухцепочечные, с одного конца или с обоих.