człowiek
Autor: Rachel Nuwer | dodano: 2018-04-24
Zegar z DNA

Natura jest mistrzynią w konstruowaniu biologicznych maszyn i obwodów, które chociażby regulują nasz wewnętrzny zegar, nadzorują kopiowanie genów i pomagają komórkom się poruszać. Obecnie inżynierowie uczą się projektować i konstruować nowe urządzenia biochemiczne, jak nanofabryki, obwody biologiczne, a nawet komputery molekularne.

Dotychczas w pracach tego typu wykorzystywano przede wszystkim istniejące składniki komórek (na przykład enzymy), ale są również badacze, którzy wolą zaczynać od podstaw. Ci „molekularni programiści” sięgają po DNA jako język programowania. Ich celem jest skonstruowanie obwodów i maszyn, które będą konkurencyjne wobec swoich naturalnych odpowiedników. Ostatnio odnieśli wielki sukces, budując pierwszy oscylator, a więc zegar molekularny, wykonany wyłącznie z DNA.

To przełomowe osiągnięcie opisane w grudniu minionego roku w Science dowodzi, że DNA nie jest wyłącznie biernym nośnikiem informacji genetycznych. Przeciwnie, jak wyjaśnia David Soloveichik, inżynier elektryk i informatyk z University of Texas w Austin, DNA jest cząsteczką, która sama w sobie jest „zdolna do złożonego zachowania”. Oscylator zbudowany z DNA jest olbrzymim wyczynem bioinżynierii i ma szansę stać się integralnym elementem kolejnych przełomowych osiągnięć biologii syntetycznej, jak czasowa kontrola procesów w sztucznych komórkach, regulowanie przebiegu uwalniania leków i synchronizacja komputerów molekularnych.

Aby skonstruować urządzenie, Soloveichik, Niranjan Srinivas, ówczesny doktorant California Institute of Technology, oraz ich współpracownicy opracowali kompilator DNA, czyli zestaw algorytmów, które umożliwiają programiście wydawanie poleceń odnośnie do budowy cząstek bez wnikania w skomplikowaną biochemię. Program tłumaczy polecenia na sekwencje DNA, które są syntezowane i mieszane ze sobą. Nici ulegają samoorganizacji, tworząc maszyny molekularne.

Korzystając z kompilatora, zespół zaprogramował prototypowy oscylator DNA, który wytwarza powtarzające się ciągi impulsów „tik” i „tak”. Soloveichik wyjaśnia, że w ten sam sposób można by uzyskać bardziej złożone zachowanie, na przykład, zmianę szybkości zegara w odpowiedzi na sygnały chemiczne. Zegary tego typu powinny w końcu umożliwić wykonywanie obliczeń chemicznych – wszakże pierwsze komputery mechaniczne były wyrafinowanymi zegarami.

Peng Yin, biolog systemów z Harvard University, który nie był zaangażowany w opisywane badania, przyznaje, że jest pod wrażeniem wykonanej pracy, którą nazywa „ważnym krokiem w kierunku programowania molekularnego, nanotechnologią opartą na dynamice DNA i biologią syntetyczną in vitro”. Co więcej, wziąwszy pod uwagę, że według naukowców początki życia są związane z podobnymi do DNA cząsteczkami RNA, Solovoichik uważa, że „ujawnienie możliwości niestandardowego i nieoczekiwanego zachowania kwasów nukleinowych, jak DNA i RNA, poszerzyło nasze rozumienie pochodzenia życia.”

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 05/2018 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
12/2018
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Grudzień
12
W 1901 r.  Guglielmo Marconi przeprowadził pierwszą transmisję radriową przez Atlantyk.
Warto przeczytać
Anatomia człowieka. Atlas do kolorowania to wspaniała pomoc naukowa dla studentów medycyny i kierunków pokrewnych, uczniów szkół średnich i pragnących kształcić się w tych dziedzinach oraz wszystkich zainteresowanych anatomią.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: Rachel Nuwer | dodano: 2018-04-24
Zegar z DNA

Natura jest mistrzynią w konstruowaniu biologicznych maszyn i obwodów, które chociażby regulują nasz wewnętrzny zegar, nadzorują kopiowanie genów i pomagają komórkom się poruszać. Obecnie inżynierowie uczą się projektować i konstruować nowe urządzenia biochemiczne, jak nanofabryki, obwody biologiczne, a nawet komputery molekularne.

Dotychczas w pracach tego typu wykorzystywano przede wszystkim istniejące składniki komórek (na przykład enzymy), ale są również badacze, którzy wolą zaczynać od podstaw. Ci „molekularni programiści” sięgają po DNA jako język programowania. Ich celem jest skonstruowanie obwodów i maszyn, które będą konkurencyjne wobec swoich naturalnych odpowiedników. Ostatnio odnieśli wielki sukces, budując pierwszy oscylator, a więc zegar molekularny, wykonany wyłącznie z DNA.

To przełomowe osiągnięcie opisane w grudniu minionego roku w Science dowodzi, że DNA nie jest wyłącznie biernym nośnikiem informacji genetycznych. Przeciwnie, jak wyjaśnia David Soloveichik, inżynier elektryk i informatyk z University of Texas w Austin, DNA jest cząsteczką, która sama w sobie jest „zdolna do złożonego zachowania”. Oscylator zbudowany z DNA jest olbrzymim wyczynem bioinżynierii i ma szansę stać się integralnym elementem kolejnych przełomowych osiągnięć biologii syntetycznej, jak czasowa kontrola procesów w sztucznych komórkach, regulowanie przebiegu uwalniania leków i synchronizacja komputerów molekularnych.

Aby skonstruować urządzenie, Soloveichik, Niranjan Srinivas, ówczesny doktorant California Institute of Technology, oraz ich współpracownicy opracowali kompilator DNA, czyli zestaw algorytmów, które umożliwiają programiście wydawanie poleceń odnośnie do budowy cząstek bez wnikania w skomplikowaną biochemię. Program tłumaczy polecenia na sekwencje DNA, które są syntezowane i mieszane ze sobą. Nici ulegają samoorganizacji, tworząc maszyny molekularne.

Korzystając z kompilatora, zespół zaprogramował prototypowy oscylator DNA, który wytwarza powtarzające się ciągi impulsów „tik” i „tak”. Soloveichik wyjaśnia, że w ten sam sposób można by uzyskać bardziej złożone zachowanie, na przykład, zmianę szybkości zegara w odpowiedzi na sygnały chemiczne. Zegary tego typu powinny w końcu umożliwić wykonywanie obliczeń chemicznych – wszakże pierwsze komputery mechaniczne były wyrafinowanymi zegarami.

Peng Yin, biolog systemów z Harvard University, który nie był zaangażowany w opisywane badania, przyznaje, że jest pod wrażeniem wykonanej pracy, którą nazywa „ważnym krokiem w kierunku programowania molekularnego, nanotechnologią opartą na dynamice DNA i biologią syntetyczną in vitro”. Co więcej, wziąwszy pod uwagę, że według naukowców początki życia są związane z podobnymi do DNA cząsteczkami RNA, Solovoichik uważa, że „ujawnienie możliwości niestandardowego i nieoczekiwanego zachowania kwasów nukleinowych, jak DNA i RNA, poszerzyło nasze rozumienie pochodzenia życia.”