Mokslo ir technologijų pasaulis

Daugeliu atveju gyvenimas yra panašus į kompiuterį. Organizmo genomas atitinka kompiuteryje įrašytą programą, kuri ląstelinėms ir molekulinėms mašinoms, tai yra įrangai, nurodo, ką daryti. Bet vietoj elektroninių grandinių organinis gyvenimas paremtas biocheminėmis grandinėmis – sudėtingu reakcijų ir kelių tinklu, kuris sudaro sąlygas organizmui funkcionuoti. Kalifornijos technologijos instituto mokslininkai sukūrė vieną iš sudėtingiausių kada nors sukurtų biocheminių grandinių mėgintuvėlyje, kuris atitinka elektroninį tranzistorių kompiuteriniame luste. Sukurta grandinė pagaminta DNR pagrindu veikiančių įrenginių.

Tokių grandinių kūrimas leidžia mokslininkams geriau suprasti informacijos apdorojimo principus biologinėse sistemose bei kurti biocheminių reakcijų kelius, pasižyminčius sprendimo priėmimo galimybėmis. Sukurtos grandinės suteikia biochemikams neįtikėtiną galimybę kontroliuoti biocheminių reakcijų eigą. Tokia kontrolė yra svarbi įvairiuose biologinės bei cheminės inžinerijos ir industriniuose taikymuose. Pavyzdžiui, ateityje susintetintos biocheminės grandinės galėtų būti panaudotos kraujo pavyzdėliuose nagrinėjant įvairių molekulių kiekį ir vėliau panaudojant šią informaciją ligos diagnostikai.

„Mes bandome pasinaudoti idėjomis, kurios turėjo didžiulį pasisekimą elektronikos pasaulyje, pavyzdžiui, abstraktus skaičiavimo operacijų atvaizdavimas, programavimo kalbos, kompaileriai, ir vėliau jas pritaikyti biomolekulių pasauliui“, - pasakė Lulu Kvenas (Lulu Qian), kuris yra podoktorantūros studentas bei pirmas straipsnio, atspausdinto „Science“ žurnale, autorius.

Kartu su universiteto profesoriumi Eriku Vinfriu Kvenas panaudojo naujos rūšies DNR pagrindu veikiančius komponentus kuriant didžiausią dirbtinę biocheminę grandinę. Ankstesnės laboratorijose sukurtos biocheminės grandinės buvo labai nepatikimos ir jų veikimas nenuspėjamas jas padidinus, paaiškino Kvenas. Matyt, to pagrindinė priežastis buvo tai, kad tokioms grandinėms buvo reikalingos įvairios molekulinės struktūros, atliekančios įvairias funkcijas. Todėl didelės sistemos buvo labai sudėtingos ir jas buvo sudėtinga tikrinti. Mokslininkų pritaikytame metode naudojami komponentai buvo paprasti, standartizuoti, patikimi ir lengvai keičiamas jų dydis. Tai reiškia, kad didesnės ir sudėtingesnės grandinės gali būti pagaminamos, ir jos veiktų patikimai.

„Jūs galite įsivaizduoti, kad kompiuterių pramonėje norima pagaminti vis geresnius ir geresnius kompiuterius, - pasakė Kvenas. - Mūsų tikslas toks pats. Mes norime gaminti vis geresnes ir geresnes biochemines grandines, kurios galėtų atlikti pačius sudėtingiausius uždavinius, valdyti molekulinius prietaisus, kurie veiktų savo aplinkoje.“

Gamindami savo grandines mokslininkai panaudojo DNR dalis, iš kurių buvo kuriami, taip vadinami, loginiai vartai, tai yra įrenginiai, kurie generuoja išeinantį įjungimo ar išjungimo signalą kaip atsaką į įeinantį įjungimo ar išjungimo signalą. Loginiai vartai yra pagrindiniai skaitmeninių loginių grandinių elementai, kurie leidžia kompiuteriui vykdyti reikalingą darbą tam tikru nustatytu metu. Įprastuose kompiuteriuose loginiai vartai yra sudaromi iš elektroninių tranzistorių, kurie tarpusavyje sujungiami į grandinę silicio luste. Tačiau biocheminės grandinės yra sudarytos iš molekulių, patalpintų mėgintuvėlyje su druskos vandeniu. Vietoje to, kad elektronai būtų priimami ir išleidžiami iš tranzistoriaus, DNR pagrindu veikiantys elektroniniai vartai priima ir išskiria molekules. Molekuliniai signalai keliauja nuo vienų vartų į kitus, sujungdami grandinę į vieną visumą, panašiai kaip laidai sujungia tranzistorius silicio luste.

Vinfris kartu su kolega pirmą kartą pagamino tokią biocheminę grandinę 2006 metais. Tame darbe DNR molekulių signalai sujungė keletą DNR loginių vartų vieną su kitu. Buvo gauta, taip vadinama, multisluoksninė grandinė. Bet ši anksčiau sukurta grandinė buvo sudaryta tik iš dvylikos DNR molekulių. Tačiau grandinės darbas sulėtėdavo keletą šimtų kartų, kai grandinė būdavo praplečiama nuo vieno loginio varto iki penkių loginių vartų. Naujajame dizaine Kvenas ir Vinfris sukūrė loginius vartus, kurie yra paprastesni ir patikimesni. Tai leido jiems kurti grandines iki penkių kartų didesnes. Naujieji loginiai vartai yra pagaminti iš trumpų, vieną kartą susuktų arba dalinai du kartus susuktų DNR dalių. Vieną kartą susuktos DNR molekulės veikia kaip įvedimo ir išvedimo signalai, kurie sąveikauja su dalinai du kartus susuktomis dalimis.

„Molekulės plaukioja tirpale susidurdamos viena su kita kartas nuo karto, - paaiškino Vinfris. - Kartais įeinanti DNR vija susiduria su atitinkama DNR seka ir susiformuoja viena vija, bet atpalaiduojama kita buvusi vijoje seka. Išlaisvinta seka gali sąveikauti su kita DNR vija.“ Kadangi mokslininkai gali iškoduoti bet kokią norimą DNR seką, tai visas procesas yra valdomas. „Mes turime programuojamą sąveiką“, - pasakė jis.

Kvenas su Vinfri pagamino keletą grandinių naudodami savo metodą. Didžiausia grandinė yra sudaryta iš septyniasdešimt keturių skirtingų DNR molekulių. Ši grandinė gali skaičiuoti kvadratinę šaknį skaičiaus mažesnio nei šešiolika bei suapvalinti atsakymą iki artimiausio sveiko skaičiaus. Mokslininkai stebi sukurtų molekulių koncentraciją skaičiavimo metu norėdami nustatyti skaičiavimo atsakymą. Skaičiavimams reikia apie dešimt valandų. Jie tikrai nepakeis nešiojamo kompiuterio. Tačiau šio tyrimo tikslas nėra konkuruoti su elektronika. Norima suteikti mokslininkams galimybę valdyti biocheminius procesus.

Jų grandinės turi keletą naujų savybių, pasakė Kvenas. Kadangi reakcijos nėra niekada idealios, tai yra molekulės ne visada susijungia teisingai dėl esančio triukšmo sistemoje. Tai reiškia, kad molekuliniai signalai nėra visada pilnai išjungti ar įjungti, priešingai nei elektronikoje. Tačiau naujai sukurti loginiai vartai gali veikti su šiuo triukšmu didindami signalą.

Visi loginiai vartai pasižymi vienodomis struktūromis, turinčiomis skirtingas sekas. Todėl jie gali būti standartizuoti – tos pačios rūšies komponentai gali būti sujungti ir sudaryti grandinę. Kvenas pasakė, kad svarbiausia, jog nereikia nieko žinoti apie molekulinius mechanizmus, iš kurių sudarytos grandinės. Jei yra reikalinga grandinė, kuri, sakykime, automatiškai nustato organizmo ligą, tereikia tik nurodyti abstraktų loginės funkcijos atvaizdą turimoje struktūroje kompiliatoriui, kurį mokslininkai pateikia internete. Kompiliatorius perveda turimą struktūrą į DNR elementus, kurie reikalingi grandinei sukurti. Ateityje gamintojai galės tiekti šias reikalingas dalis bei sudaryti veikiančią grandinę.

Grandinės elementai taip pat yra valdomi. Keičiant atitinkamos DNR rūšies koncentraciją galima keisti loginių vartų funkcijas. Grandinės yra universalios, jas galima lengvai perkonfiguruoti. Loginių vartų paprastumas leidžia panaudoti dar efektyvesnius metodus, kurie lygiagrečiai sintetintų grandines.

„Mūro (Moore) dėsnis teigia, kad silicio pagrindu veikiantys kompiuteriai eksponentiškai mažėja ir tampa labiau galingi kiekvienais metais. Molekulinės sistemos, gaminamos DNR nanotechnologijų pagrindu, didėja apytiksliai kas trys metai“, - paaiškino Vinfris. „Svajonėse mes regime, kad vieną dieną dirbtinės bocheminės grandinės pasieks gyvų būtybių sudėtingumą“, - pridėjo Kvenas.