Молекулярные процессоры на тараканьей основе.
И снова о "грешных регистрах":))))
Источник:
http://biomolecula.ru/content/1435
"Голактеко опасносте: ДНК-роботы в живом организме
В эпоху электронно-вычислительных машин трудно представить, что помочь человеку в решении его задач может что-либо помимо мощного компьютера. Квантовые компьютеры все ещё являются экзотикой, недоступной простым смертным... А слышали ли вы о молекулярных компьютерах? Прошло два десятка лет с тех пор, как ученые впервые решили математическую задачу при помощи ДНК. На сегодняшний день ученым удалось продвинуться в этом направлении гораздо дальше - работу программируемых нанороботов уже тестируют на тараканах. Вы всё еще думаете, что будущее далеко? Тогда мы идем к вам!
Рисунок-аллегория: стереотипы и страх людей перед новыми технологиями.
Коллектив ученых из Израиля и США поставил уникальный эксперимент - запустил нанороботов в живых тараканов и показал эффективную работу созданных ими конструкций. На деле они создали логические схемы, реализующие разные исходы в зависимости от молекулярного окружения. Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology [1].
Нанороботы [2] - это специальным образом сконструированные объекты нанометрового масштаба, состоящие из различных молекул или даже отдельных атомов и выполняющие заранее заданные программируемые операции. В большинстве своем они представляют собой простейшие молекулярные машины, способные выполнять небольшой набор элементарных действий, - например, движение в заданном направлении, перенос груза и сенсорные функции. Огромный толчок в развитии данного научного направления дало возникновение ДНК-оригами, о котором мы уже писали довольно подробно в статье «ДНК-оригами: путь от гравюры до нанороботов длиной в 30 лет» [3]. Использование ДНК-оригами предоставило ученым надежный инструмент для построения молекулярных конструкций практически любой сложности.
В своей работе ученые сконструировали три типа нанороботов: эффекторный робот E, который нес в себе в качестве груза антитело, специфически связывающееся с клетками крови тараканов, и два робота-регулятора - позитивный P и негативный N (рис. 1). При помощи этих элементов, специфически взаимодействующих между собой и с веществами в окружающей среде, ученым удалось собрать набор логических вентилей (гейтов) (рис. 2). Логические вентили представляют собой базовые элементы цифровой схемы и применяются для выполнения элементарных логических операций. Они давно используются человеком в информационных технологиях, и лежат в основе архитектуры компьютеров.
Рисунок 1. Эффекторный робот Е представляет собой шестигранную призму, внутри которой спрятан «важный груз» - в данном случае, антитело, способное связываться с клетками крови тараканов. На рисунке представлен скриншот программы caDNAno, позволяющей моделировать структуру ДНК-оригами и подбирать необходимые для конструкции нуклеотидные последовательности. Картинка из [1].
Слаженная работа эффекторного робота E и двух его регуляторов P и N имитировала работу простейших вычислительных машин, представляя собой довольно продвинутый вариант молекулярного компьютера или ДНК-компьютера. Взаимодействие между ДНК-роботами осуществлялось по принципу специфического связывания «ключ-замок», посредством которого они образовывали сложные комплексы.
В ходе эксперимента в кровь живого таракана добавляли раствор с нанороботами E, P и N. Оказавшись внутри организма, эффекторный робот E специфически взаимодействовал с молекулами X и Y (назовем их так, ведь в качестве X и Y могли выступать практически любые соединения) и претерпевал конформационный переход или, проще говоря, раскрывался. Раскрывшись, робот выпускал свой молекулярный груз - антитело, которое тут же распознавало гемоциты таракана и связывалось с ними. При этом для раскрывания робота и выпуска груза было необходимо присутствие в крови обоих соединений - и X, и Y.
Однако при наличии лишь одного соединения комплекс также мог раскрыться. Для этого ему требовалась помощь позитивного регулятора P. Этот робот нагружался ДНК-ключом, и, в зависимости от конструкции, высвобождал его при взаимодействии или с X, или с Y. ДНК-ключ открывал робота E и запускал процесс образования комплекса E-гемоцит. Наконец, негативный регулятор N при взаимодействии с обоими соединениями не позволял раскрыться эффекторному роботу E и выступал в качестве ингибитора образования комплекса с клеткой крови.
Все эти процессы могут быть проиллюстрированы при помощи логических схем и представлены в виде элементарных логических операций типа «И» (нужны и X, и Y), «ИЛИ» (нужен либо X, либо Y, либо оба соединения), «исключающее ИЛИ» (нужен либо X, либо Y, но не оба соединения). В качестве выходных параметров ЛОЖЬ (или 0) и ИСТИНА (или 1) здесь выступает наличие комплекса E-гемоцит. Эти и другие логические схемы представлены на рис. 2.
Рисунок 2. Логические вентили, собранные авторами статьи из нанороботов. Входной сигнал может быть представлен одним битом (X) или двумя битами (X и Y), которые являются биологическими молекулами. Выходной сигнал (один или два бита) представляет собой состояние эффекторных роботов (E и F), которое считывается с помощью флуоресценции.
Так, работа трех нанороботов приводила к реализации двух исходов - выпускать молекулярный груз или не выпускать. Для решения более сложных задач авторы использовали дополнительных эффекторных роботов F (похожих на E, но не интерферирующих с ним) и Eo (в отличие от E, он изначально открыт). Такое решение позволило строить гораздо более сложные логические схемы. Исследователи утверждают, что при добавлении дополнительных эффекторных роботов и специальных регуляторов, ничто не мешает данной технологии превысить мощность старых 8-битных компьютеров Commodore 64 и Atari 800, на которых они играли в детстве. Сложность состоит лишь в том, чтобы собрать как можно больше правильно взаимодействующих друг с другом логических вентилей.
В качестве молекулярного груза эффекторного робота может выступать практически любая молекула. Это может быть активатор или ингибитор тех или иных молекулярных реакций, либо антитело, которое свяжет вирус или другое вредное соединение. В описанном эксперименте осуществлялось связывание робота с клетками крови таракана, которые потом исследовались при помощи проточной цитометрии. При исследовании крови подопытных, часть кровяных клеток флуоресцировала в необходимом диапазоне длин волн, что говорит о связывании антитела с гемоцитом и, следовательно, успешной активации эффекторных нанороботов (рис. 3А).
Рисунок 3. Использование ДНК-роботов. А. Сверху: изображение трех комплексов нанороботов, имитирующих поведение логических вентилей AND, OR и XOR (атомно-силовая микроскопия). Снизу: сигнал флуоресценции, регистрируемый методом проточной цитометрии, полученный от этих вентилей при регистрации молекул PDGF и VEGF в крови таракана. Б. Один из вариантов построения сложной логической схемы для регистрации четырех молекул и постановки диагноза. На основании их присутствия принимается решение об освобождении трех видов терапевтических молекул (по одной на каждый логический вентиль). Картинка из [1].
Для первого этапа исследований выбор пал на тараканов Blaberus discoidalis, и сделано это было неслучайно. Во-первых, они обладают малым объемом крови(гемолифмы), и, как следствие, требуется меньшее количество нанороботов для того, чтобы показать состоятельность методики. Во-вторых, в крови тараканов невысока концентрация разрушающих чужеродную ДНК нуклеаз, что обеспечивает длительную стабильную работу ДНК-конструкций. Пока все эксперименты проводились только на тараканах, но ученые полагают, что с добавлением некоторых модификаций в конструкции нанороботов тот же принцип работы будет реализован и в других организмах. Так, например, препятствие, которое представляет собой работа нуклеаз, можно преодолеть, используя в качестве строительного материала вместо ДНК закрытые нуклеиновые кислоты (LNA).
Полученные результаты могут найти свое применение в информационных технологиях, биотехнологии и медицине. Описанная выше методика имитирует поведение арифметико-логического устройства (АЛУ) компьютера, что может быть использовано в разработке молекулярных компьютеров будущего. При помощи предложенных авторами базовых элементов можно построить довольно сложные логические схемы, реализующие замысловатые алгоритмы (рис. 3Б). Так как роль груза в эффекторном роботе может играть практически любая молекула, то такие системы можно использовать в качестве сенсоров, аналогично существующим сейчас микрочипам. Они позволят идентифицировать даже самые незначительные изменения в молекулярном окружении (регистрация единичных молекул). Изменится лишь способ считывания информации - каждому набору целевых молекул будет соответствовать свой двоичный код.
Также интересная перспектива использования описанных нанороботов - это создание «умных» лекарств. Запущенная в кровеносное русло команда нанороботов, в зависимости от программы и присутствующих в крови веществ (молекул, вирусов, бактерий и т.д.), сама поставит диагноз и выпустит необходимые лекарственные препараты. Для здорового человека такое лекарство будет совершенно безвредным, ведь, не обнаружив патогенов, нанороботы оставят молекулярный груз при себе. Возможен сценарий адресной доставки лекарств к определенному органу и последующее выведение лишних ДНК-роботов из организма. К несомненным плюсам таких лекарств относится возможность раннего обнаружения, например, единичных вирусов, и незамедлительное их уничтожение, а также низкая токсичность такой терапии.
Литература
Amir Y., Ben-Ishay E., Levner D., Ittah S., Abu-Horowitz A., Bachelet I. (2014). Universal computing by DNA origami robots in a living animal. Nat. Nanotechnol. 9, 353-357;
Википедия: Наноробот;
биомолекула: «ДНК-оригами: путь от гравюры до нанороботов длиной в 30 лет».
Автор: Сергеев Антон."
Источник:
http://biomolecula.ru/content/1435
"Голактеко опасносте: ДНК-роботы в живом организме
В эпоху электронно-вычислительных машин трудно представить, что помочь человеку в решении его задач может что-либо помимо мощного компьютера. Квантовые компьютеры все ещё являются экзотикой, недоступной простым смертным... А слышали ли вы о молекулярных компьютерах? Прошло два десятка лет с тех пор, как ученые впервые решили математическую задачу при помощи ДНК. На сегодняшний день ученым удалось продвинуться в этом направлении гораздо дальше - работу программируемых нанороботов уже тестируют на тараканах. Вы всё еще думаете, что будущее далеко? Тогда мы идем к вам!
Рисунок-аллегория: стереотипы и страх людей перед новыми технологиями.
Коллектив ученых из Израиля и США поставил уникальный эксперимент - запустил нанороботов в живых тараканов и показал эффективную работу созданных ими конструкций. На деле они создали логические схемы, реализующие разные исходы в зависимости от молекулярного окружения. Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology [1].
Нанороботы [2] - это специальным образом сконструированные объекты нанометрового масштаба, состоящие из различных молекул или даже отдельных атомов и выполняющие заранее заданные программируемые операции. В большинстве своем они представляют собой простейшие молекулярные машины, способные выполнять небольшой набор элементарных действий, - например, движение в заданном направлении, перенос груза и сенсорные функции. Огромный толчок в развитии данного научного направления дало возникновение ДНК-оригами, о котором мы уже писали довольно подробно в статье «ДНК-оригами: путь от гравюры до нанороботов длиной в 30 лет» [3]. Использование ДНК-оригами предоставило ученым надежный инструмент для построения молекулярных конструкций практически любой сложности.
В своей работе ученые сконструировали три типа нанороботов: эффекторный робот E, который нес в себе в качестве груза антитело, специфически связывающееся с клетками крови тараканов, и два робота-регулятора - позитивный P и негативный N (рис. 1). При помощи этих элементов, специфически взаимодействующих между собой и с веществами в окружающей среде, ученым удалось собрать набор логических вентилей (гейтов) (рис. 2). Логические вентили представляют собой базовые элементы цифровой схемы и применяются для выполнения элементарных логических операций. Они давно используются человеком в информационных технологиях, и лежат в основе архитектуры компьютеров.
Рисунок 1. Эффекторный робот Е представляет собой шестигранную призму, внутри которой спрятан «важный груз» - в данном случае, антитело, способное связываться с клетками крови тараканов. На рисунке представлен скриншот программы caDNAno, позволяющей моделировать структуру ДНК-оригами и подбирать необходимые для конструкции нуклеотидные последовательности. Картинка из [1].
Слаженная работа эффекторного робота E и двух его регуляторов P и N имитировала работу простейших вычислительных машин, представляя собой довольно продвинутый вариант молекулярного компьютера или ДНК-компьютера. Взаимодействие между ДНК-роботами осуществлялось по принципу специфического связывания «ключ-замок», посредством которого они образовывали сложные комплексы.
В ходе эксперимента в кровь живого таракана добавляли раствор с нанороботами E, P и N. Оказавшись внутри организма, эффекторный робот E специфически взаимодействовал с молекулами X и Y (назовем их так, ведь в качестве X и Y могли выступать практически любые соединения) и претерпевал конформационный переход или, проще говоря, раскрывался. Раскрывшись, робот выпускал свой молекулярный груз - антитело, которое тут же распознавало гемоциты таракана и связывалось с ними. При этом для раскрывания робота и выпуска груза было необходимо присутствие в крови обоих соединений - и X, и Y.
Однако при наличии лишь одного соединения комплекс также мог раскрыться. Для этого ему требовалась помощь позитивного регулятора P. Этот робот нагружался ДНК-ключом, и, в зависимости от конструкции, высвобождал его при взаимодействии или с X, или с Y. ДНК-ключ открывал робота E и запускал процесс образования комплекса E-гемоцит. Наконец, негативный регулятор N при взаимодействии с обоими соединениями не позволял раскрыться эффекторному роботу E и выступал в качестве ингибитора образования комплекса с клеткой крови.
Все эти процессы могут быть проиллюстрированы при помощи логических схем и представлены в виде элементарных логических операций типа «И» (нужны и X, и Y), «ИЛИ» (нужен либо X, либо Y, либо оба соединения), «исключающее ИЛИ» (нужен либо X, либо Y, но не оба соединения). В качестве выходных параметров ЛОЖЬ (или 0) и ИСТИНА (или 1) здесь выступает наличие комплекса E-гемоцит. Эти и другие логические схемы представлены на рис. 2.
Рисунок 2. Логические вентили, собранные авторами статьи из нанороботов. Входной сигнал может быть представлен одним битом (X) или двумя битами (X и Y), которые являются биологическими молекулами. Выходной сигнал (один или два бита) представляет собой состояние эффекторных роботов (E и F), которое считывается с помощью флуоресценции.
Так, работа трех нанороботов приводила к реализации двух исходов - выпускать молекулярный груз или не выпускать. Для решения более сложных задач авторы использовали дополнительных эффекторных роботов F (похожих на E, но не интерферирующих с ним) и Eo (в отличие от E, он изначально открыт). Такое решение позволило строить гораздо более сложные логические схемы. Исследователи утверждают, что при добавлении дополнительных эффекторных роботов и специальных регуляторов, ничто не мешает данной технологии превысить мощность старых 8-битных компьютеров Commodore 64 и Atari 800, на которых они играли в детстве. Сложность состоит лишь в том, чтобы собрать как можно больше правильно взаимодействующих друг с другом логических вентилей.
В качестве молекулярного груза эффекторного робота может выступать практически любая молекула. Это может быть активатор или ингибитор тех или иных молекулярных реакций, либо антитело, которое свяжет вирус или другое вредное соединение. В описанном эксперименте осуществлялось связывание робота с клетками крови таракана, которые потом исследовались при помощи проточной цитометрии. При исследовании крови подопытных, часть кровяных клеток флуоресцировала в необходимом диапазоне длин волн, что говорит о связывании антитела с гемоцитом и, следовательно, успешной активации эффекторных нанороботов (рис. 3А).
Рисунок 3. Использование ДНК-роботов. А. Сверху: изображение трех комплексов нанороботов, имитирующих поведение логических вентилей AND, OR и XOR (атомно-силовая микроскопия). Снизу: сигнал флуоресценции, регистрируемый методом проточной цитометрии, полученный от этих вентилей при регистрации молекул PDGF и VEGF в крови таракана. Б. Один из вариантов построения сложной логической схемы для регистрации четырех молекул и постановки диагноза. На основании их присутствия принимается решение об освобождении трех видов терапевтических молекул (по одной на каждый логический вентиль). Картинка из [1].
Для первого этапа исследований выбор пал на тараканов Blaberus discoidalis, и сделано это было неслучайно. Во-первых, они обладают малым объемом крови(гемолифмы), и, как следствие, требуется меньшее количество нанороботов для того, чтобы показать состоятельность методики. Во-вторых, в крови тараканов невысока концентрация разрушающих чужеродную ДНК нуклеаз, что обеспечивает длительную стабильную работу ДНК-конструкций. Пока все эксперименты проводились только на тараканах, но ученые полагают, что с добавлением некоторых модификаций в конструкции нанороботов тот же принцип работы будет реализован и в других организмах. Так, например, препятствие, которое представляет собой работа нуклеаз, можно преодолеть, используя в качестве строительного материала вместо ДНК закрытые нуклеиновые кислоты (LNA).
Полученные результаты могут найти свое применение в информационных технологиях, биотехнологии и медицине. Описанная выше методика имитирует поведение арифметико-логического устройства (АЛУ) компьютера, что может быть использовано в разработке молекулярных компьютеров будущего. При помощи предложенных авторами базовых элементов можно построить довольно сложные логические схемы, реализующие замысловатые алгоритмы (рис. 3Б). Так как роль груза в эффекторном роботе может играть практически любая молекула, то такие системы можно использовать в качестве сенсоров, аналогично существующим сейчас микрочипам. Они позволят идентифицировать даже самые незначительные изменения в молекулярном окружении (регистрация единичных молекул). Изменится лишь способ считывания информации - каждому набору целевых молекул будет соответствовать свой двоичный код.
Также интересная перспектива использования описанных нанороботов - это создание «умных» лекарств. Запущенная в кровеносное русло команда нанороботов, в зависимости от программы и присутствующих в крови веществ (молекул, вирусов, бактерий и т.д.), сама поставит диагноз и выпустит необходимые лекарственные препараты. Для здорового человека такое лекарство будет совершенно безвредным, ведь, не обнаружив патогенов, нанороботы оставят молекулярный груз при себе. Возможен сценарий адресной доставки лекарств к определенному органу и последующее выведение лишних ДНК-роботов из организма. К несомненным плюсам таких лекарств относится возможность раннего обнаружения, например, единичных вирусов, и незамедлительное их уничтожение, а также низкая токсичность такой терапии.
Литература
Amir Y., Ben-Ishay E., Levner D., Ittah S., Abu-Horowitz A., Bachelet I. (2014). Universal computing by DNA origami robots in a living animal. Nat. Nanotechnol. 9, 353-357;
Википедия: Наноробот;
биомолекула: «ДНК-оригами: путь от гравюры до нанороботов длиной в 30 лет».
Автор: Сергеев Антон."